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 conserva 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 umbral dual 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 latch y un latch se puede convertir en un disparador Schmitt.
Los dispositivos de disparo 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 contacto mecánico en los interruptores . También se utilizan en configuraciones de retroalimentación negativa de bucle cerrado para implementar osciladores de relajación , utilizados en generadores de funciones y fuentes de alimentación conmutadas .
En teoría de señales, un disparador Schmitt es esencialmente un cuantificador de un bit .
El gatillo Schmitt fue inventado por el científico estadounidense Otto H. Schmitt en 1934 mientras era estudiante de posgrado, [1] posteriormente descrito en su tesis doctoral (1937) como un gatillo termoiónico . [2] Fue un resultado directo del estudio de Schmitt sobre la propagación del impulso neuronal en los nervios del calamar . [2]
Los circuitos con histéresis se basan en la retroalimentación positiva. Cualquier circuito activo puede comportarse como un disparador Schmitt aplicando retroalimentación positiva de modo que la ganancia del bucle sea mayor que uno. La retroalimentación positiva se introduce añadiendo una parte del voltaje de salida al voltaje de entrada. Estos circuitos contienen un atenuador (el recuadro 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. Las dos primeras son versiones duales (serie y paralelo) del sistema general de retroalimentación positiva. En estas configuraciones, el voltaje de salida aumenta el voltaje de entrada diferencial efectivo del comparador "disminuyendo el umbral" o "aumentando el voltaje de entrada del circuito"; las propiedades de umbral y memoria se incorporan en un elemento. En la tercera técnica, las propiedades de umbral y memoria están separadas.
Umbral dinámico (retroalimentación en serie): cuando la tensión de entrada cruza el umbral en cualquier dirección, el propio circuito cambia su propio umbral al sentido opuesto. Para ello, resta una parte de su tensión de salida al umbral (es igual a sumar tensión a la tensión de entrada). De este modo, la salida afecta al umbral y no afecta a la tensión de entrada. Estos circuitos se implementan mediante un amplificador diferencial con "retroalimentación positiva en serie" donde la entrada se conecta a la entrada inversora y la salida invertida a la entrada no inversora. En esta disposición, la atenuación y la suma están separadas: un divisor de tensión actúa como atenuador y el bucle actúa como un simple sumador de tensiones en serie . Ejemplos de ello son el clásico disparador Schmitt acoplado a emisor de transistor, el disparador Schmitt inversor de amplificador operacional, etc.
Voltaje de entrada modificado (retroalimentación en paralelo): cuando el voltaje de entrada cruza el umbral en cualquier dirección, el circuito cambia su voltaje de entrada en la misma dirección (ahora agrega 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 en paralelo" donde las fuentes de entrada y salida están conectadas a través de resistencias a la entrada. Las dos resistencias forman un sumador paralelo ponderado que incorpora tanto la atenuación como la suma. Algunos ejemplos son el disparador Schmitt acoplado colector-base menos conocido, el disparador Schmitt no inversor de amplificador operacional, etc.
Algunos circuitos y elementos que presentan resistencia negativa también pueden actuar de manera similar: convertidores de impedancia negativa (NIC), lámparas de neón , diodos túnel (por ejemplo, un diodo con una característica de 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 una pata ascendente de la "N" a la otra y viceversa a medida que la entrada cruza los umbrales de conmutación ascendente y descendente.
En este caso, se asignan dos umbrales unidireccionales diferentes a dos comparadores de lazo abierto separados (sin histéresis) que accionan un multivibrador biestable (latch) o flip-flop . El disparador se activa cuando el voltaje de entrada cruza hacia abajo y hacia arriba el umbral alto y se activa cuando el voltaje de entrada cruza hacia arriba y hacia abajo el umbral bajo. Nuevamente, hay una retroalimentación positiva, pero ahora se concentra solo en la celda de memoria. Algunos ejemplos son el temporizador 555 y el circuito antirrebote de conmutación. [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 del umbral dinámico que se implementa mediante un divisor de tensión con una pata superior conmutable (las resistencias de 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). La tensión de entrada se aplica a la entrada inversora; la tensión de salida del divisor de tensión se aplica a la entrada no inversora, determinando así su umbral. La salida del comparador impulsa la segunda etapa de colector común Q2 (un seguidor de emisor ) a través del divisor de tensión R 1 -R 2 . Los transistores acoplados al emisor Q1 y Q2 en realidad componen un interruptor electrónico de doble tiro que conmuta las patas superiores del divisor de tensión y cambia el umbral en una dirección diferente (a la tensión de entrada).
Esta configuración puede considerarse como un amplificador diferencial con realimentación positiva en serie entre su entrada no inversora (base Q2) y salida (colector Q1) que fuerza el proceso de transición. También hay una realimentación negativa más pequeña introducida por la resistencia de emisor R E . Para que la realimentación positiva predomine sobre la negativa y obtener una histéresis, la proporción entre las dos resistencias de colector se elige de manera que R C1 > R C2 . Por lo tanto, fluye menos corriente y hay menos caída de tensión en R E cuando Q1 está encendido que en el caso en que 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 de emisor compartido (umbral alto para mayor concreción) de modo que la unión base-emisor de Q1 está polarizada en forma inversa y Q1 no conduce. El voltaje de base de Q2 está determinado por el divisor descrito anteriormente de modo que Q2 conduce y la salida de disparo está en estado bajo. Las dos resistencias R C2 y R E forman otro divisor de voltaje que determina el umbral alto. Despreciando V BE , el valor del umbral alto es aproximadamente
El voltaje de salida es bajo, pero está muy por encima del nivel de tierra. Es aproximadamente igual al umbral alto y puede no ser lo suficientemente bajo como para ser un cero lógico para los circuitos digitales posteriores. Esto puede requerir un circuito de cambio de nivel adicional después del circuito de activación.
Cruzando el umbral alto. Cuando el voltaje de entrada (voltaje de base de Q1) aumenta ligeramente por encima del voltaje a través de la resistencia de emisor RE ( el umbral alto), Q1 comienza a conducir. Su voltaje de colector disminuye y Q2 comienza a cortarse, porque el divisor de voltaje ahora proporciona un voltaje de base de Q2 más bajo. El voltaje de emisor común sigue este cambio y disminuye, haciendo que Q1 conduzca más. La corriente comienza a dirigirse desde la rama derecha del circuito a la izquierda. Aunque Q1 conduce más, pasa menos corriente a través de RE ( ya que RC1 > RC2 ) ; el voltaje de emisor continúa cayendo y el voltaje base-emisor efectivo de Q1 aumenta continuamente. Este proceso similar a una avalancha continúa hasta que Q1 se enciende por completo (se satura) y Q2 se apaga. El disparador pasa al estado alto y el voltaje de salida (colector de Q2) está cerca de V+. Ahora los dos resistores RC1 y RE forman un divisor de voltaje que determina el umbral bajo. Su valor es aproximadamente
Cruzando el umbral bajo. Con el disparador ahora en el estado alto, si el voltaje de entrada cae lo suficiente (por debajo del umbral bajo), Q1 comienza a cortar. Su corriente de colector se reduce; como resultado, el voltaje de emisor compartido cae ligeramente y el voltaje de colector de Q1 aumenta significativamente. El divisor de voltaje R 1 -R 2 transmite este cambio al voltaje de base de Q2 y comienza a conducir. El voltaje a través de RE aumenta , reduciendo aún más el potencial de base-emisor de Q1 de la misma manera similar a una avalancha, y Q1 deja de conducir. Q2 se enciende por completo (se satura) y el voltaje de salida se vuelve bajo nuevamente.
Circuito no inversor. El clásico disparador Schmitt no inversor se puede convertir en un disparador inversor sacando V de los emisores en lugar de hacerlo de un colector Q2. En esta configuración, el voltaje de salida es igual al umbral dinámico (el voltaje compartido del emisor) y ambos niveles de salida se mantienen alejados de los rieles de alimentación. Otra desventaja es que la carga cambia los umbrales, por lo que debe 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 en el voltaje del emisor.
Circuito acoplado directamente. Para simplificar el circuito, se puede omitir el divisor de tensión R 1 –R 2 conectando el colector Q1 directamente a la base Q2. También se puede omitir la resistencia de base R B para que la fuente de tensión de entrada controle directamente la base de Q1. [4] En este caso, la tensión de emisor común y la tensión de colector Q1 no son adecuadas para las salidas. Solo se debe utilizar el colector Q2 como salida ya que, cuando la tensión de entrada supera el umbral alto y Q1 se satura, su unión base-emisor se polariza directamente y transfiere las variaciones de tensión de entrada directamente a los emisores. Como resultado, la tensión de emisor común y la tensión de colector Q1 siguen la tensión de entrada. Esta situación es típica de los amplificadores diferenciales de transistores sobreexcitados y las puertas ECL .
Como todo circuito latch, el circuito biestable acoplado colector-base fundamental funciona con histéresis. Puede convertirse en un disparador Schmitt conectando una resistencia de base adicional R a una de las entradas (la base de 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 de Q2) y el voltaje de entrada, y activa el "comparador" de transistor de un solo extremo Q1. Cuando el voltaje de base cruza el umbral (V BE0 ∞ 0,65 V) en cualquier dirección, una parte del voltaje de colector de Q2 se agrega en la misma dirección al voltaje de entrada. De este modo, la salida modifica el voltaje de entrada por medio de retroalimentación positiva paralela y no afecta el umbral (el voltaje base-emisor).
La versión acoplada al emisor tiene la ventaja de que el transistor de entrada está polarizado en sentido inverso cuando el voltaje de entrada está muy por debajo del umbral alto, por lo que el transistor se corta definitivamente. Esto era importante cuando se utilizaban transistores de germanio para implementar el circuito, y esta configuración ha seguido siendo popular. La resistencia de base de entrada se puede omitir, ya que la resistencia de emisor limita la corriente cuando la unión base-emisor de entrada está polarizada en sentido directo.
Es posible que el nivel de salida de cero lógico de un disparador Schmitt acoplado al emisor no sea lo suficientemente bajo y podría necesitar un circuito de cambio de nivel 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 agregando 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 de bucle también es lo suficientemente alta y proporciona el proceso similar a una avalancha.
En este circuito, las dos resistencias R 1 y R 2 forman un sumador de voltaje paralelo. Este suma 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 es de un solo extremo (produce voltaje con respecto a tierra), por lo que el circuito no necesita un amplificador con una entrada diferencial. Dado que los amplificadores operacionales convencionales tienen una entrada diferencial, la entrada inversora está conectada a tierra para hacer 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 conmuta 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 latch elemental ).
Por ejemplo, si el disparador Schmitt está actualmente en estado alto, la salida estará en el riel de alimentación positivo (+V S ). El voltaje de salida V + del sumador resistivo se puede encontrar aplicando el teorema de superposición :
El comparador conmutará cuando V + = 0. Entonces (el mismo resultado se puede obtener aplicando el principio de conservación de corriente). Por lo que debe caer por debajo para que la salida conmute. Una vez que la salida del comparador ha cambiado a − V S , el umbral se convierte en volver 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 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 active (más) y luego se apague (menos). Si R 1 es cero o R 2 es infinito (es decir, un circuito abierto ), la banda colapsa a 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 está dado por y el valor máximo de la salida M es el riel de fuente de alimentación.
Una propiedad única de los circuitos con retroalimentación positiva en paralelo es el impacto en la fuente de entrada. [ cita requerida ] En circuitos con retroalimentación negativa en paralelo (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 disparador Schmitt práctico con umbrales precisos. La característica de transferencia tiene exactamente la misma forma que en la configuración básica anterior, y los valores de 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 está definida por los diodos Zener (que también podrían reemplazarse por un diodo Zener 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 de la fuente de alimentación (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 el desfase de la tensión de entrada causado por las corrientes de fuga de entrada del comparador (ver 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 únicamente como un atenuador "puro" (divisor de tensión). El bucle de entrada actúa como un sumador de tensión en serie que suma una parte de la tensión de salida en serie a la tensión 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 ). La tensión efectiva aplicada 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 inversor y 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 que las anteriores. Si el disparador Schmitt está actualmente en estado alto, la salida estará en el riel de alimentación positivo (+V S ). La tensión de salida V + del divisor de tensión es:
El comparador conmutará cuando V in = V + . Por lo tanto, debe superar este voltaje para que la salida conmute. Una vez que la salida del comparador ha cambiado a − V S , el umbral se convierte en alto para volver a conmutar. Entonces, este circuito crea una banda de conmutación centrada en cero, con niveles de activación (se puede desplazar hacia la izquierda o 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 a 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 tensión en la resistencia (R1) determina las tensiones de referencia, es decir, la tensión de umbral superior (V+) y la tensión de umbral inferior (V−) para la comparación con la señal de entrada aplicada. Estas tensiones son fijas, al igual que la tensión de salida y los valores de la resistencia.
De esta manera, al cambiar la caída en (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 en (R1), lo que puede cambiar los voltajes de umbral. Se pueden obtener los valores deseados de los voltajes de referencia al variar el voltaje de polarización.
Las ecuaciones anteriores se pueden modificar de la siguiente manera:
Los disparadores Schmitt se utilizan normalmente en configuraciones de bucle abierto para inmunidad al ruido y en 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 hacer que la salida cambie rápidamente de un lado a otro debido 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 del 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 con frecuencia entre su valor absoluto más bajo y su valor absoluto más alto. Esta señal se filtra entonces con un filtro de paso bajo para formar una señal suave que sube y baja de acuerdo con 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 solo pasa de baja a alta después de que una señal infrarroja recibida excite al fotodiodo durante más tiempo que un período conocido, y una vez que el disparador Schmitt es alto, solo se mueve a baja después de que la señal infrarroja deja de excitar al fotodiodo durante más tiempo que un período conocido similar. Mientras que el fotodiodo es propenso a conmutaciones espurias debido al ruido del entorno, el retraso agregado por el filtro y el disparador Schmitt asegura que la salida solo conmuta cuando hay una entrada que estimula el dispositivo.
Los disparadores Schmitt son comunes en muchos circuitos de conmutación por razones similares (por ejemplo, para eliminar el rebote del interruptor ).
Los siguientes dispositivos de la serie 7400 incluyen un disparador Schmitt en sus entradas: (ver Lista de circuitos integrados de la serie 7400 )
Varios dispositivos de la serie 4000 incluyen un disparador Schmitt en sus entradas: (ver Lista de circuitos integrados de la serie 4000 )
Chips de una sola puerta configurables con entrada Schmitt: (ver Lista de circuitos integrados de la serie 7400#Chips de una puerta )
Un disparador Schmitt es un multivibrador biestable y puede utilizarse para implementar otro tipo de multivibrador, el oscilador de relajación . Esto se consigue 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 de umbral del disparador Schmitt. Dado que un único circuito integrado puede proporcionar varios circuitos disparadores Schmitt (por ejemplo, el dispositivo CMOS de la serie 4000 tipo 40106 contiene 6 de ellos), una sección de repuesto del CI puede ponerse rápidamente en servicio como un oscilador sencillo y fiable con sólo dos componentes externos.
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 disparador Schmitt al otro.
