슈미트 트리거 소개

현대 고속 데이터 통신에 사용되는 거의 모든 디지털 회로는 입력에 대해 일종의 슈미트 트리거 동작이 필요합니다.

Schmitt Trigger가 사용되는 이유

여기서 슈미트 트리거의 주요 목적은 데이터 라인의 노이즈와 간섭을 제거하고 빠른 에지 전환으로 멋진 깨끗한 디지털 출력을 제공하는 것입니다.

상승 및 하강 시간은 회로의 다음 단계에 입력으로 적용될 수있을만큼 디지털 출력에서 ​​충분히 낮아야합니다. (많은 IC에는 입력에 나타날 수있는 에지 전환 유형에 대한 제한이 있습니다.)

여기에서 슈미트 트리거의 주요 장점은 노이즈를 필터링 할 수 있지만 데이터 속도를 크게 저하시키는 필터와 달리 높은 데이터 흐름 속도를 유지하면서 잡음이있는 신호를 제거한다는 것입니다.

슈미트 트리거는 또한 에지 전환이 느린 파형을 빠르고 깨끗한 에지 전환이있는 디지털 파형으로 변환해야하는 회로에서 흔히 볼 수 있습니다.

슈미트 트리거는 사인파 또는 톱니파와 같은 거의 모든 아날로그 파형을 빠른 에지 전환을 통해 ON-OFF 디지털 신호로 변환 할 수 있습니다. 슈미트 트리거는 버퍼 또는 인버터와 같이 입력과 출력이 1 개인 활성 디지털 장치입니다.

작동 중에는 디지털 출력이 높거나 낮을 수 있으며이 출력은 입력 전압이 미리 설정된 두 임계 전압 한계를 초과하거나 미만이 될 때만 상태를 변경합니다. 출력이 낮 으면 입력 신호가 특정 임계 값 상한을 초과하지 않는 한 출력이 높음으로 변경되지 않습니다.

마찬가지로 출력이 높으면 입력 신호가 특정 하한 임계 값 아래로 내려갈 때까지 출력이 낮음으로 변경되지 않습니다.

하한값은 상한값보다 다소 낮습니다. 진폭이 작동 전압 범위 내에있는 한 모든 종류의 파형을 입력 (정현파, 톱니파, 오디오 파형, 펄스 등)에 적용 할 수 있습니다.

슈미트 트리거를 설명하는 Diagarm

아래 다이어그램은 상한 및 하한 입력 전압 임계 값으로 인한 히스테리시스를 보여줍니다. 입력이 상한 임계 값을 초과 할 때마다 출력이 높습니다.

입력이 하한 임계 값보다 낮 으면 출력이 낮고 입력 신호 전압이 상한과 하한 임계 값 한계 사이에있을 때 출력은 높거나 낮은 이전 값을 유지합니다.

하한 임계 값과 상한 임계 값 사이의 거리를 히스테리시스 갭이라고합니다. 출력은 입력이 변경을 트리거 할만큼 충분히 변경 될 때까지 항상 이전 상태를 유지합니다. 이것이 이름에 '트리거'가 지정되는 이유입니다.

슈미트 트리거는 내부 1 비트 메모리가 있고 트리거 조건에 따라 상태가 변경되므로 쌍 안정 래치 회로 또는 쌍 안정 멀티 바이브레이터와 거의 동일한 방식으로 작동합니다.

Schmitt 트리거 작동을 위해 IC 74XX 시리즈 사용

Texas Instruments는 구형 74XX 제품군에서 최신 AUP1T 제품군에 이르기까지 거의 모든 기술 제품군에서 Schmitt 트리거 기능을 제공합니다.

이러한 IC는 반전 또는 비 반전 슈미트 트리거와 함께 패키징 할 수 있습니다. 74HC14와 같은 대부분의 Schmitt 트리거 장치는 Vcc의 고정 비율에서 임계 값 레벨을 가지고 있습니다.

이는 대부분의 애플리케이션에 적합 할 수 있지만 때로는 입력 신호 조건에 따라 임계 값 레벨을 변경해야합니다.

예를 들어, 입력 신호 범위는 고정 히스테리시스 갭보다 작을 수 있습니다. 임계 레벨은 74HC14와 같은 IC에서 입력 신호를 장치 입력에 연결하는 다른 저항과 함께 출력에서 ​​입력으로 네거티브 피드백 저항을 연결하여 변경할 수 있습니다.

이것은 히스테리시스에 필요한 포지티브 피드백을 제공하며 이제 히스테리시스 간격은 추가 된 두 저항의 값을 변경하거나 전위차계를 사용하여 조정할 수 있습니다. 저항은 입력 임피던스를 높은 수준으로 유지하기에 충분한 값이어야합니다.

슈미트 방아쇠는 단순한 개념이지만 1934 년까지 발명되지 않은 반면 Otto H. Schmitt라는 이름의 미국 과학자는 여전히 대학원생이었습니다.

Otto H. Schmitt 소개

그의 연구는 생물 공학과 생물 물리학에 중점을 두었 기 때문에 전기 공학자가 아니 었습니다. 그는 오징어 신경의 신경 자극 전파 메커니즘을 복제하는 장치를 설계하려고 할 때 슈미트 트리거에 대한 아이디어를 생각해 냈습니다.

그의 논문은 아날로그 신호를 완전한 온 또는 오프 (‘1’또는‘0’) 인 디지털 신호로 변환 할 수있는 '열 전자 트리거'를 설명합니다.

그는 마이크로 소프트, 텍사스 인스트루먼트, NXP 반도체와 같은 주요 전자 회사들이이 독특한 발명 없이는 오늘날과 같이 존재할 수 없다는 사실을 거의 알지 못했습니다.

슈미트 트리거는 시장에 나와있는 거의 모든 디지털 전자 장치의 입력 메커니즘에 사용되는 중요한 발명으로 밝혀졌습니다.

슈미트 트리거 란?

슈미트 트리거의 개념은 포지티브 피드백의 개념과 루프 이득이 1보다 크도록 포지티브 피드백을 적용하여 모든 활성 회로 또는 장치가 슈미트 트리거처럼 작동하도록 만들 수 있다는 사실을 기반으로합니다.

활성 장치의 출력 전압은 정해진 양만큼 감쇠되고 입력에 포지티브 피드백으로 적용되어 감쇠 된 출력 전압에 입력 신호를 효과적으로 추가하여 입력 전압 임계 값 상한 및 하한으로 히스테리시스 동작을 생성합니다.

대부분의 표준 버퍼, 인버터 및 비교기는 하나의 임계 값 만 사용합니다. 출력은 입력 파형이 어느 방향 으로든이 임계 값을 초과하는 즉시 상태를 변경합니다.

Schmitt Trigger 작동 방식

잡음이있는 입력 신호 또는 파형이 느린 신호는 일련의 잡음 펄스로 출력에 나타납니다.

슈미트 트리거는이 상태를 정리합니다. 입력이 임계 값을 초과 할 때 출력 상태가 변경된 후 임계 값 자체도 변경되므로 이제 입력 전압이 상태를 다시 변경하려면 반대 방향으로 더 멀리 이동해야합니다.

입력의 노이즈 또는 간섭은 진폭이 두 임계 값 사이의 차이보다 크지 않는 한 출력에 나타나지 않습니다.

정현파 파형 또는 오디오 신호와 같은 모든 아날로그 신호는 빠르고 깨끗한 에지 전환을 통해 일련의 ON-OFF 펄스로 변환 될 수 있습니다. 슈미트 트리거 회로를 형성하기 위해 포지티브 피드백을 구현하는 세 가지 방법이 있습니다.

Schmitt Trigger에서 피드백이 작동하는 방식

첫 번째 구성에서는 피드백이 입력 전압에 직접 추가되므로 전압이 반대 방향으로 더 많이 이동해야 출력이 다시 변경됩니다.

이것은 일반적으로 병렬 긍정 피드백으로 알려져 있습니다.

두 번째 구성에서는 입력 전압에 피드백을 추가하는 것과 동일한 효과가있는 임계 전압에서 피드백을 뺍니다.

이것은 직렬 포지티브 피드백 회로를 형성하며 때로는 동적 임계 값 회로라고도합니다. 저항 분배기 네트워크는 일반적으로 입력 단계의 일부인 임계 전압을 설정합니다.

처음 두 회로는 단일 opamp 또는 몇 개의 저항과 함께 두 개의 트랜지스터를 사용하여 쉽게 구현할 수 있습니다. 세 번째 기법은 조금 더 복잡하며 입력 단계의 어떤 부분에도 피드백이 없다는 점에서 다릅니다.

이 방법은 두 개의 임계 값 제한 값에 대해 두 개의 개별 비교기를 사용하고 1 비트 메모리 요소로 플립 플롭을 사용합니다. 비교기에 적용되는 긍정적 인 피드백은 메모리 요소에 포함되어 있기 때문입니다. 이 세 가지 방법 각각은 다음 단락에서 자세히 설명합니다.

모든 Schmitt 트리거는 히스테리시스 동작을 달성하기 위해 긍정적 인 피드백에 의존하는 활성 장치입니다. 입력이 특정 사전 설정된 상한 임계 값 이상으로 상승 할 때마다 출력이 '높음'으로 이동하고 입력이 하한 임계 값 아래로 떨어질 때마다 '낮음'으로 이동합니다.

입력이 두 임계 값 한계 사이에있을 때 출력은 이전 값 (낮음 또는 높음)을 유지합니다.

이러한 유형의 회로는 종종 잡음이있는 신호를 정리하고 깨끗하고 빠른 에지 전환을 통해 아날로그 파형을 디지털 파형 (1 및 0)으로 변환하는 데 사용됩니다.

슈미트 트리거 회로의 피드백 유형

슈미트 트리거 회로를 형성하기 위해 포지티브 피드백을 구현하는 데 일반적으로 사용되는 세 가지 방법이 있습니다. 이러한 방법은 병렬 피드백, 직렬 피드백 및 내부 피드백이며 다음과 같이 설명합니다.

병렬 및 직렬 피드백 기술은 실제로 동일한 피드백 회로 유형의 이중 버전입니다. 병렬 피드백 병렬 피드백 회로는 수정 된 입력 전압 회로라고도합니다.

이 회로에서 피드백은 입력 전압에 직접 추가되며 임계 전압에는 영향을 미치지 않습니다. 출력이 상태를 변경할 때 피드백이 입력에 추가되므로 입력 전압이 반대 방향으로 더 많이 이동해야 출력이 더 변경됩니다.

출력이 낮고 입력 신호가 임계 전압을 교차하는 지점까지 증가하고 출력이 높음으로 변경되는 경우.

이 출력의 일부는 피드백 루프를 통해 입력에 직접 적용되어 출력 전압이 새로운 상태를 유지하는 데 도움이됩니다.

이는 입력 전압을 효과적으로 증가시켜 임계 전압을 낮추는 것과 동일한 효과를 나타냅니다.

임계 전압 자체는 변경되지 않지만 이제 입력은 출력을 낮은 상태로 변경하기 위해 아래쪽 방향으로 더 멀리 이동해야합니다. 출력이 낮아지면 동일한 프로세스가 반복되어 하이 상태로 돌아갑니다.

단일 종단 비 반전 증폭기가 작동하므로이 회로는 차동 증폭기를 사용할 필요가 없습니다.

입력 신호와 출력 피드백은 모두 저항을 통해 증폭기의 비 반전 입력에 적용되며이 두 저항은 가중 병렬 여름을 형성합니다. 반전 입력이있는 경우 일정한 기준 전압으로 설정됩니다.

병렬 피드백 회로의 예는 다음과 같이 콜렉터 기반 결합 슈미트 트리거 회로 또는 비 반전 연산 증폭기 회로입니다.

시리즈 피드백

동적 임계 값 (직렬 피드백) 회로는 출력의 피드백이 입력 전압 대신 임계 값 전압을 직접 변경한다는 점을 제외하면 기본적으로 병렬 피드백 회로와 동일한 방식으로 작동합니다.

피드백은 입력 전압에 피드백을 추가하는 것과 동일한 효과를 갖는 임계 전압에서 뺍니다. 입력이 임계 전압 한계를 초과하면 임계 전압이 반대 값으로 변경됩니다.

이제 입력은 출력 상태를 다시 변경하기 위해 반대 방향으로 더 많이 변경해야합니다. 출력은 입력 전압과 분리되어 있으며 임계 전압에만 영향을줍니다.

따라서이 직렬 회로는 병렬 회로에 비해 입력 저항을 훨씬 더 높게 만들 수 있습니다. 이 회로는 일반적으로 입력이 반전 입력에 연결되고 출력이 저항 전압 분배기를 통해 비 반전 입력에 연결되는 차동 증폭기를 기반으로합니다.

전압 분배기는 임계 값을 설정하고 루프는 직렬 전압 여름처럼 작동합니다. 이 유형의 예는 다음과 같이 고전적인 트랜지스터 이미 터 결합 슈미트 트리거와 반전 연산 증폭기 회로입니다.

내부 피드백

이 구성에서 슈미트 트리거는 두 개의 임계 값 제한에 대해 두 개의 개별 비교기 (히스테리시스 없음)를 사용하여 생성됩니다.

이러한 비교기의 출력은 RS 플립 플롭의 설정 및 재설정 입력에 연결됩니다. 긍정적 인 피드백은 플립 플롭 내에 포함되어 있으므로 비교기에 대한 피드백이 없습니다. RS 플립 플롭의 출력은 입력이 상위 임계 값을 초과하면 하이로 전환되고 입력이 하위 임계 값 아래로 내려 가면 로우로 전환됩니다.

입력이 상한과 하한 임계 값 사이에 있으면 출력은 이전 상태를 유지합니다. 이 기술을 사용하는 장치의 예로는 NXP Semiconductors 및 Texas Instruments에서 만든 74HC14가 있습니다.

이 부분은 RS 플립 플롭을 설정하고 재설정하는 데 사용되는 상위 임계 값 비교기와 하위 임계 값 비교기로 구성됩니다. 74HC14 Schmitt 트리거는 실제 신호를 디지털 전자 장치와 인터페이스하는 데 가장 많이 사용되는 장치 중 하나입니다.

이 장치의 두 임계 값 제한은 Vcc의 고정 비율로 설정됩니다. 이것은 부품 수를 최소화하고 회로를 단순하게 유지하지만 때로는 다른 종류의 입력 신호 조건에 따라 임계 값 레벨을 변경해야합니다.

예를 들어 입력 신호 범위는 고정 히스테리시스 전압 범위보다 작을 수 있습니다. 임계 값 레벨은 출력에서 ​​입력으로 음의 피드백 저항을 연결하고 입력 신호를 입력에 연결하는 다른 저항을 연결하여 74HC14에서 변경할 수 있습니다.

이렇게하면 고정 된 30 % 긍정적 인 피드백을 15 %와 같은 더 낮은 값으로 효과적으로 줄입니다. 입력 저항을 높게 유지하려면이 값 (Mega-Ohm 범위)에 고값 저항을 사용하는 것이 중요합니다.

슈미트 트리거의 장점

슈미트 트리거는 어떤 형태의 디지털 신호 처리를 사용하는 모든 종류의 고속 데이터 통신 시스템에서 사용됩니다. 실제로 이들은 높은 데이터 유속을 유지하면서 데이터 라인의 노이즈와 간섭을 제거하고 빠르고 깨끗한 에지 전환을 통해 임의의 아날로그 파형을 ON-OFF 디지털 파형으로 변환하는 두 가지 목적을 제공합니다.

이는 노이즈를 걸러 낼 수있는 필터에 비해 이점을 제공하지만 제한된 대역폭으로 인해 데이터 속도가 크게 저하됩니다. 또한 표준 필터는 느린 입력 파형이 적용될 때 빠른 에지 전환으로 멋지고 깨끗한 디지털 출력을 제공 할 수 없습니다.

슈미트 트리거의 이러한 두 가지 장점은 다음과 같이 자세히 설명됩니다. 노이즈가 많은 신호 입력 노이즈와 간섭의 영향은 더 길고 더 긴 케이블을 사용하고 더 높고 더 높은 데이터 속도가 필요하기 때문에 디지털 시스템에서 주요 문제입니다.

노이즈를 줄이는보다 일반적인 방법에는 차폐 케이블 사용, 꼬인 전선 사용, 임피던스 매칭 및 출력 임피던스 감소가 있습니다.

이러한 기술은 노이즈를 줄이는 데 효과적 일 수 있지만 입력 라인에 여전히 약간의 노이즈가 남아있어 회로 내에서 원하지 않는 신호를 트리거 할 수 있습니다.

디지털 회로에 사용되는 대부분의 표준 버퍼, 인버터 및 비교기는 입력에 하나의 임계 값 만 있습니다. 따라서 입력 파형이 어느 방향 으로든이 임계 값을 교차하는 즉시 출력 상태가 변경됩니다.

임의의 노이즈 신호가 입력에서이 임계점을 여러 번 교차하면 출력에서 ​​일련의 펄스로 표시됩니다. 또한 느린 에지 전환이있는 파형이 일련의 진동 노이즈 펄스로 출력에 나타날 수 있습니다.

때로는 RC 네트워크에서와 같이 이러한 추가 노이즈를 줄이기 위해 필터가 사용됩니다. 그러나 이와 같은 필터가 데이터 경로에 사용될 때마다 최대 데이터 속도가 크게 느려집니다. 필터는 노이즈를 차단하지만 고주파 디지털 신호도 차단합니다.

슈미트 트리거 필터

슈미트 트리거가이 문제를 정리합니다. 입력이 임계 값을 넘으면 출력이 상태를 변경 한 후 임계 값 자체도 변경되므로 입력이 다른 출력 변경을 유발하려면 반대 방향으로 더 멀리 이동해야합니다.

이 히스테리시스 효과 때문에 슈미트 트리거를 사용하는 것이 디지털 회로에서 노이즈 및 간섭 문제를 줄이는 가장 효과적인 방법 일 것입니다. 잡음 및 간섭 문제는 일반적으로 제거되지 않는 경우 슈미트 트리거 형태로 입력 라인에 히스테리시스를 추가하여 해결할 수 있습니다.

입력에 대한 잡음 또는 간섭의 진폭이 슈미트 트리거의 히스테리시스 갭의 폭보다 작 으면 출력에 대한 잡음의 영향은 없습니다.

진폭이 약간 더 크더라도 입력 신호가 히스테리시스 갭의 중심에 있지 않으면 출력에 영향을주지 않아야합니다. 최대 노이즈 제거를 달성하기 위해 임계 값 레벨을 조정해야 할 수 있습니다.

이것은 포지티브 피드백 네트워크의 저항 값을 변경하거나 전위차계를 사용하여 쉽게 수행 할 수 있습니다.

슈미트 트리거가 필터에 대해 제공하는 주요 이점은 데이터 속도를 늦추지 않고, 경우에 따라 느린 파형을 빠른 파형으로 변환 (더 빠른 에지 전환)을 통해 실제로 속도를 높일 수 있다는 것입니다. 오늘날 시장은 디지털 입력에 어떤 형태의 슈미트 트리거 동작 (히스테리시스)을 사용합니다.

여기에는 MCU, 메모리 칩, 로직 게이트 등이 포함됩니다. 이러한 디지털 IC는 입력에 히스테리시스가있을 수 있지만 대부분의 경우 사양 시트에 표시되는 입력 상승 및 하강 시간에 대한 제한이 있으므로이를 고려해야합니다. 이상적인 슈미트 트리거는 입력에 대한 상승 또는 하강 시간 제한이 없습니다.

느린 입력 파형은 때때로 히스테리시스 간격이 너무 작거나 입력이 임계 값 이상으로 상승하면 출력이 높아지고 입력 신호가 아래로 떨어지면 출력이 낮아지는 임계 값 (비 슈미트 트리거 장치)이 하나뿐입니다. 그것.

이러한 경우 임계 값 주변에 한계 영역이 있고 느린 입력 신호로 인해 회로를 통해 쉽게 발진이나 과도한 전류가 흐르게되어 장치가 손상 될 수 있습니다. 이러한 느린 입력 신호는 고속 디지털에서도 발생할 수 있습니다. 입력에 신호를 공급하기 위해 필터 (예 : RC 네트워크)가 사용되는 전원 공급 조건 또는 기타 조건 하의 회로.

이러한 유형의 문제는 수동 스위치의 '디 바운스'회로, 긴 케이블 또는 배선, 부하가 높은 회로 내에서 종종 발생합니다.

예를 들어 느린 램프 신호 (적분기)가 버퍼에 적용되고 입력의 단일 임계점을 통과하면 출력이 상태를 변경합니다 (예 : 낮음에서 높음으로). 이 트리거 동작은 전원 공급 장치에서 일시적으로 추가 전류를 끌어 올 수 있으며 VCC 전력 레벨을 약간 낮출 수 있습니다.

버퍼가 입력이 임계 값을 다시 넘었 음을 감지하기 때문에 (입력이 동일하게 유지 됨에도 불구하고) 출력이 다시 높은 상태에서 낮은 상태로 변경되도록이 변경이 충분할 수 있습니다. 이것은 반대 방향으로 다시 반복 될 수 있으므로 일련의 진동 펄스가 출력에 나타납니다.

이 경우 슈미트 트리거를 사용하면 진동이 제거 될뿐만 아니라 느린 에지 전환이 거의 수직 에지 전환이있는 깨끗한 일련의 ON-OFF 펄스로 변환됩니다. Schmitt 트리거의 출력은 상승 및 하강 시간 사양에 따라 다음 장치에 대한 입력으로 사용될 수 있습니다.

(Schmitt 트리거를 사용하여 발진을 제거 할 수 있지만 전환시 과도 전류 흐름이있을 수 있으며 다른 방법으로 수정해야 할 수 있습니다.)

슈미트 트리거는 정현파 파형, 오디오 파형 또는 톱니 파형과 같은 아날로그 입력을 구형파 또는 빠른 에지 전환이있는 다른 유형의 ON-OFF 디지털 신호로 변환해야하는 경우에도 발견됩니다.