斯密特觸發器

施密特觸發器就是當輸入信號發生足夠大的變化時，觸發器將觸發輸出。施密特觸發器的滯回特性以及它的兩個不同閾值上工作的能力，這使得它可以有效地運用於各種模擬電路和數字電路中的噪聲抑制。施密特觸發器從電磁干擾的角度為提高電路的靈敏度提供了一個有價值的解決方案。施密特觸發器也被稱為雙穩態電路，因為它能夠在兩個不同閾值上工作。施密特觸發器的這一特性還有助於將模擬信號轉換為數字信號，從而導致脈衝的整形。施密特觸發器是具有正反饋信號的比較電路，這意味着電路的環路增益大於 1。反饋的目的是為了給施密特觸發器提供不同的閾值電壓，從而獲得磁滯特性，從而提高 CMOS 器件的噪聲靈敏度，使器件能夠穩定運行。施密特觸發器作為信號恢復電路，通過消除噪聲內容，推斷出原始輸入信號量。根據電路設計的延遲、功率和麪積等性能要求，可以使用各種設計方法實現施密特觸發器。 ^[4] 

施密特觸發電路剛開始的名稱是來自於圖1所示的電路結構，但是在後來的研究中學者們把凡是帶有施密特觸發特性的電路全部稱作為施密特觸發電路。如圖1所示，通過兩個 CMOS 反相器 G1、G2 以及兩個電阻 R1、R2 所構成的施密特觸發電路。從圖1可以發現，兩個 CMOS反相器通過串接相連，通過分壓電阻把輸出端的電壓反饋給輸入端，便組成了帶有施密特觸發特性的電路。 ^[4] 

電流模式施密特觸發器電路如圖2所示。I_in、I_out分別為輸入和輸出電流，I_control是控制電流。電源電壓V_DD=2.0V，V_SS=-2.0V。 ^[5] 

施密特觸發器是脈衝波形變換中經常使用的一種電路，在性能上有2個重要特點：第一，輸入信號從低電平上轉換電平和從高電平下降時的轉換電平不同；第二, 在電路狀態轉換時, 通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓邊沿變得很陡。利用這2個特點，可以將邊沿變化緩慢的信號波形 （如正弦波）整形為邊沿陡峭的矩形波，還可加於矩形脈衝信號高、低電平上的噪聲有效地清除。 ^[3] 

採用運放實現的斯密特觸發器，包括反相輸入和同相輸入兩種施密特觸發器，其電路分別如圖3、圖4所示。可見，在電路上反相輸入和同相輸入的兩類施密特觸發器僅在輸入電壓V_I、參考電壓V_REF所處的位置上有所不同，其它完全一樣，也就是説，只要把V_I和V_REF調換位置，反相輸入斯密特觸發器就變成了同相輸入斯密特觸發器，同相輸入斯密特觸發器亦變成了反相輸入斯密特觸發器。 ^[2] 

圖2所示給出斯密特觸發器特有的電壓傳輸特性，也可以作為斯密特觸發器的特有標誌，如圖5所示，斯密特觸發器的特有標誌是一個矩形框，該矩形框的上下對角各有 1 根延伸線，由延伸線可以判斷是反相輸入斯密特觸發器，還是同相輸入斯密特觸發器。一般來説，以上延伸線的方向作為判斷依據既比較合理。上延伸線向左（負方向）的為反相輸入斯密特觸發器；向右（正方向）為同相斯密特觸發器。對於相同的輸入信號，反相輸入和同相輸入斯密特觸發器的輸出波形剛好反相 180°。 ^[2] 

反相輸入斯密特觸發器的閾值電壓計算公式的標準式（推導從略）為： ^[2] 

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同相輸入斯密特觸發器的閾值電壓計算公式的標準式（推導從略）為： ^[2] 

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由標準式可見，當參考電壓V_REF不為零時，閾值電壓V_T1、V_T2由V_REF、V_Z、R₁和R₂四個參數決定；當參考電壓V_REF 等於零時，閾值電壓的計算公式變得很簡單，且此時電壓傳輸特性曲線以座標原點 O為中心，上下左右對稱，V_T1=-V_T2。 ^[2] 

由集成與非門邏輯門電路實現的斯密特觸發器，如圖6所示。 ^[2] 

由圖7可見，集成與非門構成的施密特觸發器的電路很簡單，用一片 74LS00芯片加一個普通二極管就可以實現．顯然，V_T1=0.7 V，V_T2=1.4 V．對於輸入信號V_I、V_O1和V_O2的輸出波形相位相反，即反相180°的矩形波，因此可以得到如上所示的 2 個剛好相反的電壓傳輸特性。這正好與運放構成的反相、同相輸入施密特觸發器的電壓傳輸特性一致，它的標誌符號如圖7所示。 ^[2] 

由集成與非門邏輯門電路及 555 定時器實現的斯密特觸發器，如圖8所示。可以看出由555定時器構成的施密特觸發器，僅一個輸出V_O。而由電壓傳輸特性可見它與運放構成的反相輸入施密特觸發器的電壓傳輸特性相似．顯然它的閾值電壓V_T1=1/3V_cc，V_T2=2/3V_cc。 ^[2] 

如圖9所示施密特電路是依靠共射極電阻耦合的兩極正反饋放大器，令三極管發射結的導通電壓為0.7V，則當輸入端的電壓V_I到達低電平時即V_I近似為零那麼V_I-V_E=V_BE1<0.7V，此時T₁將會截止，T₂將會飽和導通。如果V_I慢慢地增大而使得0.7V<V_BE1時，則T1便會進入導通狀態，當V_I上升，會使得i_C1上升，那麼V_C1便會下降，V_C1的下降會使得i_C2的下降，繼而V_E會下降，V_E的下降又使得了V_BE1的上升，從而使i_C1又得以上升，這樣便形成了一個正向的反饋，使得電路快速的成為T₁飽和導通，T2截止關斷的狀態。 ^[4] 

如果V_I從高電平慢慢地下降到到低電平，並使得V_BE1降到近似 0.7V時，i_C1開始降低，而i_C1的減小會使V_C1上升，從而使i_C2上升，又導致V_E上升，而V_E上升使得V_BE1下降，而V_BE1的減小便又會使i_C1下降，如此便形成了另一個正向反饋，使得電路快速的變為T₁截止關斷，T₁飽和導通的狀態。 ^[4] 

由以上兩個過程可知，不論T₂從截止關斷變為飽和導通還是從飽和導通變為截止關斷，都會有一個正向反饋的發生，這讓輸出端電壓V_O無論上升還是下降都非常快，且上升沿與下降沿都非常的陡。 ^[4] 

因為電阻R₁>R₂，所以 當T₁飽和導通時的VE肯定要小於T₂飽和導通時V_E的大小，那麼T₁從截止關斷轉變為導通時的輸入電壓一定是比T₁從導通轉變為截止關斷時的輸入電壓要高，從而就會得出圖10的電壓傳輸特性。一般會分別使用V_T+與V_T-來表示V_I增大時T₁由截止轉變為導通後的輸入電壓和V_I降低時T₁從導通轉變為截止關斷時的輸入電壓，分別將V_T+與V_T-稱為正向閾值電壓和反向閾值電壓，並且把|V_T+-V_T-|稱作為回差電壓。與此同時將如圖10這種類型的電壓傳輸特性稱作為施密特觸發特性。 ^[4]