施密特觸發器的主要應用之一是 模擬電子和 數字電子之間的信號接口，以及不同邏輯系列中的電平轉換。

在此過程中遇到的一個主要問題是噪聲的拾取。數字信號本質上是快速的，因為它們處理高頻和快速上升和下降沿。然而，另一方面（模擬）處理在上升和下降時間方面變化速度慢得多的信號。

為了解決這些問題，我們將 使用運算放大器設計一個簡單的施密特觸發器。因此，在本文中，我們將討論施密特觸發器的使用位置、工作原理以及如何使用運算放大器構建施密特觸發器。

為什么選擇施密特觸發器而不僅僅是運算放大器比較器？

如果使用簡單的比較器來檢測模擬信號何時越過閾值，由于緩慢的上升和下降時間，閾值電壓可能會發生多次轉換，這會導致輸出出現多個脈沖，這是不可取的。此行為類似于開關彈跳 ，如下圖所示。

施密特觸發器如何工作？

施密特觸發器是一種用作比較器的設備。名稱中的觸發器一詞來自這樣一個事實，即它就像一個閂鎖，當達到某個閾值時觸發。

在這種情況下，它是一種在輸入越過某個電壓時立即改變高閾值和低閾值的設備。

這樣，由于閾值電壓在第一次轉換后發生變化，因此可以防止多次轉換。這可以防止由于從輸入中拾取的噪聲而在輸出上產生不需要的脈沖。

要理解這一點，看一下稱為滯后圖的圖表會很有幫助，如下圖所示。

它顯示了輸入之間的關系以及閾值如何根據輸入而變化。

按照箭頭，輸入從地面開始并不斷增加，直到它穿過 V TR2。此時，輸出改變狀態并變高。

但即使輸入再次越過 V TR2，輸出也不會改變狀態，因為閾值現在已經改變。輸入現在必須低于 V TR1以使輸出變低。

通過以這種方式改變閾值電壓，在對緩慢和嘈雜的信號進行數字化時，可以防止多個輸出轉換。

如何使用運算放大器作為施密特觸發器

運算放大器可以用作比較器，但如果不改變閾值，它就會成為噪聲和不需要的輸出轉換的犧牲品。

使用一些可以改變閾值電平的分立部件很容易在運算放大器中實現遲滯。在本例中，我們使用 IC 741運算放大器構建了施密特觸發器。選擇 741 是為了演示。運算放大器使用 12V 電源軌供電。

運算放大器的反相輸入作為信號輸入，反饋網絡圍繞同相輸入和輸出構建。我在面包板上構建了電路，使用運算放大器實驗的施密特觸發器如下所示。現在，不要與板上所有額外的組件混淆。741 運算放大器及其連接顯示在左側。在右側，我們有用于測試設置的鋸齒波發生器電路。如果您有波形發生器，則可以跳過此步驟。

閾值電壓由連接在電源和地之間的兩個電阻器設置。由于這里的電源電壓是12V，所以閾值電壓是6V。

另一個電阻連接在輸出和非反相輸入之間，用于改變閾值電壓。

中心閾值電壓由分壓器上的電阻值設置，并由以下公式給出：

V CTH = V IN ? （R B /（R T + R B ））

其中 VCTH 是中心閾值電壓，VIN 是輸入電壓，RB 是底部電阻，RT 是頂部電阻。

讓我們假設運算放大器的輸出首先是低電平。這意味著連接在非反相輸入和輸出之間的電阻器并聯連接到分壓器上的底部電阻器。因此，下限閾值電壓由下式給出：

V BTH ≈ V IN ? （R B /（R T ? R H / （ R T + R H ） ） ）

其中 VBTH 是底部電壓閾值，VIN 是輸入電壓，RB 是底部電阻，RT 是頂部電阻，RH 是遲滯電阻。

當運算放大器的輸出變高時，反饋電阻現在與分壓器的頂部電阻并聯，閾值電壓現在由下式給出：

V TTH ≈ V IN ? （R B /（R B ? R H / （ R B + R H ） ） ）

其中 VTTH 是最高電壓閾值，RB 是底部電阻，RH 是遲滯電阻。應用滯后的結果非常顯著。

上圖顯示了沒有遲滯的波形——黃色波形是輸入——鋸齒波疊加了方波來模擬噪聲，粉色波形是閾值電壓，藍色波形是輸出波形。由于輸入通過閾值電壓的多次轉換，輸出波形在下降沿上有不需要的尖峰。

需要注意的幾點：

1. 必須在磁滯電阻上并聯一個小電容，以確保穩定性和快速響應。

2. 輸出擺幅的限制可能表現為遲滯閾值的誤差，因為遲滯電阻器沒有直接連接到電源或地，而是連接到相同的上方和下方的幾個二極管壓降，因為運算放大器的輸出級。

上圖顯示了將運算放大器配置為施密特觸發器如何解決此問題。輸出波形現在很干凈，沒有噪聲或不需要的過渡。還可以清楚地看到，閾值電壓在每個高電平和低電平轉換之間發生變化。您還可以在下面鏈接的視頻中查看完整的工作演示。

使用運算放大器作為比較器的注意事項：

1. 運算放大器被設計為放大器，因此它們的輸出級不適合快速擺動。在其中一個軌道飽和后，輸出可能需要一些時間才能恢復，這會導致速度損失。

2. 運算放大器輸出受壓擺率限制，這可能違反某些數字系統的邊沿時序要求。

3. 運算放大器輸入通常有一個共模輸入限制，如果超過此限制，可能會導致輸出反相等問題。