En electrónica , un disparador Schmitt es un circuito comparador con histéresis implementado aplicando retroalimentación positiva a la entrada no inversora de un comparador o amplificador diferencial. Es un circuito activo que convierte una señal de entrada analógica en una señal de salida digital . El circuito se denomina disparador porque la salida retiene su valor hasta que la entrada cambia lo suficiente como para provocar un cambio. En la configuración no inversora, cuando la entrada es superior a un umbral elegido, la salida es alta. Cuando la entrada está por debajo de un umbral elegido diferente (inferior), la salida es baja, y cuando la entrada está entre los dos niveles, la salida conserva su valor. Esta acción de doble umbral se llama histéresis e implica que el disparador Schmitt posee memoria y puede actuar como un multivibrador biestable (latch o flip-flop ). Existe una estrecha relación entre los dos tipos de circuitos: un disparador Schmitt se puede convertir en un pestillo y un pestillo se puede convertir en un disparador Schmitt.
Los dispositivos de activación Schmitt se utilizan normalmente en aplicaciones de acondicionamiento de señales para eliminar el ruido de las señales utilizadas en circuitos digitales, en particular el rebote de contactos mecánicos en interruptores . También se utilizan en configuraciones de retroalimentación negativa de circuito cerrado para implementar osciladores de relajación , utilizados en generadores de funciones y fuentes de alimentación conmutadas .
En teoría de la señal, un disparador Schmitt es esencialmente un cuantificador de un bit .
El disparador Schmitt fue inventado por el científico estadounidense Otto H. Schmitt en 1934 mientras era estudiante de posgrado, [1] descrito posteriormente en su tesis doctoral (1937) como un disparador termoiónico . [2] Fue un resultado directo del estudio de Schmitt sobre la propagación del impulso neural en los nervios del calamar . [2]
Los circuitos con histéresis se basan en retroalimentación positiva. Se puede hacer que cualquier circuito activo se comporte como un disparador Schmitt aplicando una retroalimentación positiva de modo que la ganancia del bucle sea superior a uno. La retroalimentación positiva se introduce sumando una parte del voltaje de salida al voltaje de entrada. Estos circuitos contienen un atenuador (el cuadro B en la figura de la derecha) y un sumador (el círculo con "+" dentro) además de un amplificador que actúa como comparador. Hay tres técnicas específicas para implementar esta idea general. Los dos primeros son versiones duales (en serie y en paralelo) del sistema general de retroalimentación positiva. En estas configuraciones, el voltaje de salida aumenta la diferencia efectiva del voltaje de entrada del comparador "disminuyendo el umbral" o "aumentando el voltaje de entrada del circuito"; las propiedades de umbral y memoria se incorporan en un solo elemento. En la tercera técnica, se separan las propiedades de umbral y de memoria.
Umbral dinámico (retroalimentación en serie): cuando el voltaje de entrada cruza el umbral en alguna dirección, el propio circuito cambia su propio umbral a la dirección opuesta. Para ello, resta del umbral una parte de su tensión de salida (equivale a sumar tensión a la tensión de entrada). Por lo tanto, la salida afecta el umbral y no afecta el voltaje de entrada. Estos circuitos se implementan mediante un amplificador diferencial con "retroalimentación positiva en serie" donde la entrada está conectada a la entrada inversora y la salida a la entrada no inversora. En esta disposición, la atenuación y la suma están separadas: un divisor de voltaje actúa como un atenuador y el bucle actúa como un simple sumador de voltaje en serie . Algunos ejemplos son el clásico disparador Schmitt acoplado a transistor-emisor, el disparador Schmitt inversor del amplificador operacional, etc.
Voltaje de entrada modificado (retroalimentación paralela): cuando el voltaje de entrada cruza el umbral en alguna dirección el circuito cambia su voltaje de entrada en la misma dirección (ahora suma una parte de su voltaje de salida directamente al voltaje de entrada). Por lo tanto, la salida aumenta el voltaje de entrada y no afecta el umbral. Estos circuitos se pueden implementar mediante un amplificador no inversor de un solo extremo con "retroalimentación positiva paralela" donde las fuentes de entrada y salida están conectadas a través de resistencias a la entrada. Las dos resistencias forman un verano paralelo ponderado que incorpora tanto la atenuación como la suma. Algunos ejemplos son el disparador Schmitt acoplado a base de colector menos familiar, el disparador Schmitt no inversor del amplificador operacional, etc.
Algunos circuitos y elementos que exhiben resistencia negativa también pueden actuar de manera similar: convertidores de impedancia negativa (NIC), lámparas de neón , diodos de túnel (por ejemplo, un diodo con una característica corriente-voltaje en forma de N en el primer cuadrante), etc. En el último caso, una entrada oscilante hará que el diodo se mueva de un tramo ascendente de la "N" al otro y viceversa cuando la entrada cruce los umbrales de conmutación ascendente y descendente.
En este caso se asignan dos umbrales unidireccionales diferentes a dos comparadores de bucle abierto separados (sin histéresis) que accionan un multivibrador biestable (latch) o un flip-flop . El disparador cambia a alto cuando el voltaje de entrada cruza hacia abajo hasta el umbral alto y a bajo cuando el voltaje de entrada cruza hacia abajo hasta el umbral bajo. Nuevamente hay una retroalimentación positiva, pero ahora se concentra sólo en la celda de memoria. Algunos ejemplos son el temporizador 555 y el circuito antirrebote del interruptor. [3]
El símbolo de los disparadores Schmitt en los diagramas de circuitos es un triángulo con un símbolo en su interior que representa su curva de histéresis ideal.
El disparador Schmitt original se basa en la idea de umbral dinámico que se implementa mediante un divisor de voltaje con una pata superior conmutable (las resistencias del colector R C1 y R C2 ) y una pata inferior estable (R E ). Q1 actúa como un comparador con una entrada diferencial (unión base-emisor Q1) que consta de una entrada inversora (base Q1) y una entrada no inversora (emisor Q1). El voltaje de entrada se aplica a la entrada inversora; el voltaje de salida del divisor de voltaje se aplica a la entrada no inversora determinando así su umbral. La salida del comparador impulsa la segunda etapa del colector común Q2 (un seguidor de emisor ) a través del divisor de voltaje R1 - R2 . Los transistores acoplados al emisor Q1 y Q2 en realidad componen un interruptor electrónico de doble vía que conmuta las patas superiores del divisor de voltaje y cambia el umbral en una dirección diferente (a la del voltaje de entrada).
Esta configuración se puede considerar como un amplificador diferencial con retroalimentación positiva en serie entre su entrada no inversora (base Q2) y salida (colector Q1) que fuerza el proceso de transición. También hay una retroalimentación negativa más pequeña introducida por la resistencia del emisor RE . Para que la realimentación positiva domine sobre la negativa y obtener una histéresis, se elige la proporción entre las dos resistencias del colector R C1 > R C2 . Por lo tanto, cuando Q1 está encendido, fluye menos corriente y hay menos caída de voltaje en RE cuando Q1 está encendido que en el caso cuando Q2 está encendido. Como resultado, el circuito tiene dos umbrales diferentes con respecto a tierra (V − en la imagen).
Estado inicial. Para los transistores NPN que se muestran a la derecha, imagine que el voltaje de entrada está por debajo del voltaje del emisor compartido (umbral alto para mayor concreción), de modo que la unión base-emisor Q1 tenga polarización inversa y Q1 no conduzca. El voltaje de base de Q2 está determinado por el divisor mencionado de modo que Q2 esté conduciendo y la salida del disparador esté en estado bajo. Las dos resistencias R C2 y R E forman otro divisor de tensión que determina el umbral alto. Despreciando V BE , el valor del umbral alto es aproximadamente
El voltaje de salida es bajo pero muy por encima del suelo. Es aproximadamente igual al umbral alto y puede que no sea lo suficientemente bajo como para ser un cero lógico para circuitos digitales posteriores. Esto puede requerir un circuito de cambio adicional después del circuito de activación.
Cruzando el umbral alto. Cuando el voltaje de entrada (voltaje base Q1) aumenta ligeramente por encima del voltaje a través de la resistencia del emisor R E (el umbral alto), Q1 comienza a conducir. El voltaje del colector disminuye y Q2 comienza a cortarse, porque el divisor de voltaje ahora proporciona un voltaje base de Q2 más bajo. El voltaje del emisor común sigue este cambio y disminuye, lo que hace que Q1 conduzca más. La corriente comienza a dirigirse desde el tramo derecho del circuito hacia el izquierdo. Aunque Q1 es más conductor, pasa menos corriente a través de R E (ya que R C1 > R C2 ); el voltaje del emisor continúa cayendo y el voltaje base-emisor efectivo Q1 aumenta continuamente. Este proceso similar a una avalancha continúa hasta que Q1 se enciende (satura) por completo y Q2 se apaga. El disparador pasa al estado alto y el voltaje de salida (colector Q2) está cerca de V+. Ahora las dos resistencias R C1 y R E forman un divisor de tensión que determina el umbral bajo. Su valor es aproximadamente
Cruzando el umbral bajo. Con el disparador ahora en estado alto, si el voltaje de entrada baja lo suficiente (por debajo del umbral bajo), Q1 comienza a cortarse. Su corriente de colector se reduce; como resultado, el voltaje del emisor compartido disminuye ligeramente y el voltaje del colector Q1 aumenta significativamente. El divisor de voltaje R 1 -R 2 transmite este cambio al voltaje base Q2 y comienza a conducir. El voltaje a través de R E aumenta, reduciendo aún más el potencial base-emisor de Q1 de la misma manera que una avalancha, y Q1 deja de conducir. Q2 se enciende completamente (satura) y el voltaje de salida vuelve a ser bajo.
Circuito no inversor. El clásico disparador Schmitt no inversor se puede convertir en un disparador inversor sacando V de los emisores en lugar de un colector Q2. En esta configuración, el voltaje de salida es igual al umbral dinámico (el voltaje del emisor compartido) y ambos niveles de salida permanecen alejados de los rieles de suministro. Otra desventaja es que la carga cambia los umbrales, por lo que tiene que ser lo suficientemente alta. La resistencia de base R B es obligatoria para evitar el impacto del voltaje de entrada a través de la unión base-emisor Q1 sobre el voltaje del emisor.
Circuito de acoplamiento directo. Para simplificar el circuito, se puede omitir el divisor de voltaje R 1 –R 2 conectando el colector Q1 directamente a la base Q2. La resistencia de base RB también se puede omitir para que la fuente de voltaje de entrada impulse directamente la base de Q1. [4] En este caso, la tensión del emisor común y la tensión del colector Q1 no son adecuadas para las salidas. Sólo se debe utilizar el colector Q2 como salida ya que, cuando el voltaje de entrada excede el umbral alto y Q1 se satura, su unión base-emisor está polarizada directamente y transfiere las variaciones del voltaje de entrada directamente a los emisores. Como resultado, el voltaje del emisor común y el voltaje del colector Q1 siguen al voltaje de entrada. Esta situación es típica de amplificadores diferenciales de transistores saturados y puertas ECL .
Como todo pestillo, el circuito biestable acoplado colector-base fundamental posee una histéresis. Por lo tanto, se puede convertir en un disparador Schmitt conectando una resistencia de base adicional R a una de las entradas (base Q1 en la figura). Las dos resistencias R y R 4 forman un sumador de voltaje paralelo (el círculo en el diagrama de bloques anterior) que suma el voltaje de salida (colector Q2) y el voltaje de entrada, y acciona el "comparador" Q1 del transistor de un solo extremo. Cuando el voltaje de base cruza el umbral (V BE0 ∞ 0,65 V) en alguna dirección, una parte del voltaje del colector de Q2 se suma en la misma dirección al voltaje de entrada. Así, la salida modifica el voltaje de entrada mediante retroalimentación positiva paralela y no afecta el umbral (el voltaje base-emisor).
La versión con emisor acoplado tiene la ventaja de que el transistor de entrada tiene polarización inversa cuando el voltaje de entrada está bastante por debajo del umbral alto, por lo que el transistor seguramente se corta. Fue importante cuando se utilizaron transistores de germanio para implementar el circuito y esta ventaja determinó su popularidad. La resistencia base de entrada se puede omitir ya que la resistencia emisora limita la corriente cuando la unión base-emisor de entrada tiene polarización directa.
Un nivel de salida cero lógico del disparador Schmitt acoplado al emisor puede no ser lo suficientemente bajo y podría necesitar un circuito de desplazamiento de salida adicional. El disparador Schmitt acoplado al colector tiene una salida extremadamente baja (casi cero) en el cero lógico .
Los disparadores Schmitt se implementan comúnmente utilizando un amplificador operacional o un comparador dedicado . [nb 2] Un amplificador operacional y comparador de bucle abierto puede considerarse como un dispositivo analógico-digital que tiene entradas analógicas y una salida digital que extrae el signo de la diferencia de voltaje entre sus dos entradas. [nb 3] La retroalimentación positiva se aplica sumando una parte del voltaje de salida al voltaje de entrada en serie o en paralelo. Debido a la ganancia extremadamente alta del amplificador operacional, la ganancia del bucle también es lo suficientemente alta y proporciona un proceso similar a una avalancha.
En este circuito, las dos resistencias R 1 y R 2 forman un sumador de tensión en paralelo. Agrega una parte del voltaje de salida al voltaje de entrada, aumentándolo así durante y después de la conmutación que ocurre cuando el voltaje resultante está cerca de tierra. Esta retroalimentación positiva paralela crea la histéresis necesaria que está controlada por la proporción entre las resistencias de R 1 y R 2 . La salida del sumador de voltaje paralelo tiene un solo extremo (produce voltaje con respecto a tierra), por lo que el circuito no necesita un amplificador con entrada diferencial. Dado que los amplificadores operacionales convencionales tienen una entrada diferencial, la entrada inversora está conectada a tierra para que el punto de referencia sea cero voltios.
El voltaje de salida siempre tiene el mismo signo que el voltaje de entrada del amplificador operacional , pero no siempre tiene el mismo signo que el voltaje de entrada del circuito (los signos de los dos voltajes de entrada pueden diferir). Cuando el voltaje de entrada del circuito está por encima del umbral alto o por debajo del umbral bajo, el voltaje de salida tiene el mismo signo que el voltaje de entrada del circuito (el circuito no es inversor). Actúa como un comparador que cambia en un punto diferente dependiendo de si la salida del comparador es alta o baja. Cuando el voltaje de entrada del circuito está entre los umbrales, el voltaje de salida no está definido y depende del último estado (el circuito se comporta como un pestillo elemental ).
Por ejemplo, si el disparador Schmitt está actualmente en estado alto, la salida estará en el riel de suministro de energía positivo (+V S ). La tensión de salida V + del sumador resistivo se puede encontrar aplicando el teorema de superposición :
El comparador cambiará cuando V + =0. Entonces (se puede obtener el mismo resultado aplicando el principio de conservación actual). Por lo tanto , debe caer hacia abajo para que la salida cambie. Una vez que la salida del comparador ha cambiado a − V S , el umbral vuelve a cambiar a alto. Entonces, este circuito crea una banda de conmutación centrada en cero, con niveles de activación (se puede desplazar hacia la izquierda o hacia la derecha aplicando un voltaje de polarización a la entrada inversora). El voltaje de entrada debe elevarse por encima de la parte superior de la banda, y luego por debajo de la parte inferior de la banda, para que la salida se encienda (más) y luego se apague (menos). Si R 1 es cero o R 2 es infinito (es decir, un circuito abierto ), la banda colapsa hasta alcanzar un ancho cero y se comporta como un comparador estándar. La característica de transferencia se muestra en la imagen de la izquierda. El valor del umbral T viene dado por y el valor máximo de la salida M es el carril de alimentación.
Una propiedad única de los circuitos con retroalimentación positiva paralela es el impacto en la fuente de entrada. [ cita necesaria ] En circuitos con retroalimentación paralela negativa (por ejemplo, un amplificador inversor), la tierra virtual en la entrada inversora separa la fuente de entrada de la salida del amplificador operacional. Aquí no hay tierra virtual y el voltaje de salida constante del amplificador operacional se aplica a través de la red R 1 -R 2 a la fuente de entrada. La salida del amplificador operacional pasa una corriente opuesta a través de la fuente de entrada (inyecta corriente en la fuente cuando el voltaje de entrada es positivo y extrae corriente de la fuente cuando es negativo).
En la figura de la derecha se muestra un práctico disparador Schmitt con umbrales precisos. La característica de transferencia tiene exactamente la misma forma que la configuración básica anterior y los valores umbral también son los mismos. Por otro lado, en el caso anterior la tensión de salida dependía de la fuente de alimentación, mientras que ahora viene definida por los diodos Zener (que también podrían sustituirse por un diodo Zener único de doble ánodo). En esta configuración, los niveles de salida se pueden modificar mediante la elección adecuada del diodo Zener, y estos niveles son resistentes a las fluctuaciones del suministro de energía (es decir, aumentan el PSRR del comparador). La resistencia R 3 está ahí para limitar la corriente a través de los diodos, y la resistencia R 4 minimiza la compensación de voltaje de entrada causada por las corrientes de fuga de entrada del comparador (consulte las limitaciones de los amplificadores operacionales reales ).
En la versión inversora, la atenuación y la suma están separadas. Las dos resistencias R 1 y R 2 actúan sólo como un atenuador "puro" (divisor de tensión). El bucle de entrada actúa como un sumador de voltaje en serie que agrega una parte del voltaje de salida en serie al voltaje de entrada del circuito. Esta retroalimentación positiva en serie crea la histéresis necesaria que está controlada por la proporción entre las resistencias de R 1 y la resistencia total (R 1 y R 2 ). El voltaje efectivo aplicado a la entrada del amplificador operacional es flotante, por lo que el amplificador operacional debe tener una entrada diferencial.
El circuito se denomina inversor porque el voltaje de salida siempre tiene un signo opuesto al voltaje de entrada cuando está fuera del ciclo de histéresis (cuando el voltaje de entrada está por encima del umbral alto o por debajo del umbral bajo). Sin embargo, si el voltaje de entrada está dentro del ciclo de histéresis (entre los umbrales alto y bajo), el circuito puede ser tanto inversor como no inversor. El voltaje de salida no está definido y depende del último estado, por lo que el circuito se comporta como un pestillo elemental.
Para comparar las dos versiones, se considerará el funcionamiento del circuito en las mismas condiciones anteriores. Si el disparador Schmitt está actualmente en estado alto, la salida estará en el riel de suministro de energía positivo (+V S ). El voltaje de salida V + del divisor de voltaje es:
El comparador cambiará cuando V in = V + . Por lo tanto , debe exceder este voltaje para que la salida cambie. Una vez que la salida del comparador ha cambiado a − V S , el umbral vuelve a cambiar a alto. Entonces, este circuito crea una banda de conmutación centrada en cero, con niveles de activación (se puede desplazar hacia la izquierda o hacia la derecha conectando R 1 a un voltaje de polarización). El voltaje de entrada debe elevarse por encima de la parte superior de la banda, y luego por debajo de la parte inferior de la banda, para que la salida se apague (menos) y luego se vuelva a encender (más). Si R 1 es cero (es decir, un cortocircuito ) o R 2 es infinito, la banda colapsa hasta alcanzar un ancho cero y se comporta como un comparador estándar.
A diferencia de la versión paralela, este circuito no afecta la fuente de entrada ya que la fuente está separada de la salida del divisor de voltaje por la alta impedancia diferencial de entrada del amplificador operacional.
En el amplificador inversor, la caída de voltaje a través de la resistencia (R1) decide los voltajes de referencia, es decir, el voltaje de umbral superior (V+) y los voltajes de umbral inferior (V-) para la comparación con la señal de entrada aplicada. Estos voltajes son fijos ya que el voltaje de salida y los valores de resistencia son fijos.
por lo tanto, al cambiar la caída a través de (R1), se pueden variar los voltajes de umbral. Al agregar un voltaje de polarización en serie con la resistencia (R1), se puede variar la caída, lo que puede cambiar los voltajes de umbral. Los valores deseados de los voltajes de referencia se pueden obtener variando el voltaje de polarización.
Las ecuaciones anteriores se pueden modificar como:
Los disparadores Schmitt se utilizan normalmente en configuraciones de bucle abierto para inmunidad al ruido y configuraciones de bucle cerrado para implementar generadores de funciones .
Una aplicación de un disparador Schmitt es aumentar la inmunidad al ruido en un circuito con un solo umbral de entrada. Con un solo umbral de entrada, una señal de entrada ruidosa [nb 4] cerca de ese umbral podría causar que la salida cambie rápidamente hacia adelante y hacia atrás debido únicamente al ruido. Una señal de entrada ruidosa del disparador Schmitt cerca de un umbral puede causar solo un cambio en el valor de salida, después de lo cual tendría que moverse más allá del otro umbral para causar otro cambio.
Por ejemplo, un fotodiodo infrarrojo amplificado puede generar una señal eléctrica que cambia frecuentemente entre su valor absoluto más bajo y su valor absoluto más alto. Luego, esta señal se filtra de paso bajo para formar una señal suave que sube y baja correspondiente a la cantidad relativa de tiempo que la señal de conmutación está encendida y apagada. Esa salida filtrada pasa a la entrada de un disparador Schmitt. El efecto neto es que la salida del disparador Schmitt sólo pasa de bajo a alto después de que una señal infrarroja recibida excita el fotodiodo durante más tiempo que un período conocido, y una vez que el disparador Schmitt está alto, sólo se mueve hacia abajo después de que la señal infrarroja deja de funcionar. excitar el fotodiodo durante más tiempo que un período conocido similar. Mientras que el fotodiodo es propenso a realizar conmutaciones espurias debido al ruido del entorno, el retraso agregado por el filtro y el disparador Schmitt garantiza que la salida solo conmute cuando ciertamente hay una entrada que estimula el dispositivo.
Los disparadores Schmitt son comunes en muchos circuitos de conmutación por razones similares (por ejemplo, para evitar el rebote del interruptor ).
Los siguientes dispositivos de la serie 7400 incluyen un disparador Schmitt en su(s) entrada(s): (ver Lista de circuitos integrados de la serie 7400 )
Varios dispositivos de la serie 4000 incluyen un disparador Schmitt en sus entradas: (consulte la Lista de circuitos integrados de la serie 4000 )
Chips de puerta única configurables de entrada Schmitt: (consulte la Lista de circuitos integrados de la serie 7400#Chips de una puerta )
Un disparador Schmitt es un multivibrador biestable , y con él se puede implementar otro tipo de multivibrador, el oscilador de relajación . Esto se logra conectando un único circuito integrador RC entre la salida y la entrada de un disparador Schmitt inversor. La salida será una onda cuadrada continua cuya frecuencia depende de los valores de R y C, y de los puntos umbral del disparador Schmitt. Dado que un solo circuito integrado puede proporcionar múltiples circuitos disparadores Schmitt (por ejemplo, el dispositivo CMOS de la serie 4000 tipo 40106 contiene 6 de ellos), una sección de repuesto del CI se puede poner rápidamente en servicio como un oscilador simple y confiable con solo dos circuitos externos. componentes.
Aquí se utiliza un disparador Schmitt basado en un comparador en su configuración inversora. Además, se agrega una retroalimentación negativa lenta con una red RC integradora . El resultado, que se muestra a la derecha, es que la salida oscila automáticamente de V SS a V DD a medida que el capacitor se carga desde un umbral de activación Schmitt al otro.
