Disparador Schmitt

Cuando la tensión de entrada cruza el umbral en cualquier dirección, el circuito modifica su propio umbral en la dirección opuesta. Para ello, resta una parte de su tensión de salida al umbral (lo que equivale a sumar tensión a la tensión de entrada). De esta forma, la salida afecta al umbral y no a la tensión de entrada. Estos circuitos se implementan mediante un amplificador diferencial con realimentación positiva en serie, donde la entrada se conecta a la entrada inversora y la salida invertida a la entrada no inversora. En esta configuración, la atenuación y la suma se separan: un divisor de tensión actúa como atenuador y el bucle actúa como un simple sumador de tensión en serie (aplicando la ley de tensiones de Kirchhoff ). Algunos ejemplos son el clásico disparador Schmitt acoplado al emisor del transistor , el disparador Schmitt inversor con amplificador operacional , etc.

Cuando la tensión de entrada cruza el umbral en cualquier dirección, el circuito modifica su tensión de entrada en la misma dirección (ahora suma una parte de su tensión de salida directamente a la tensión de entrada). De esta forma, la salida incrementa la tensión de entrada y no afecta al umbral. Estos circuitos pueden implementarse mediante un amplificador no inversor de terminación simple con realimentación positiva en paralelo, donde las fuentes de entrada y salida están conectadas a la entrada a través de resistencias. Las dos resistencias forman un sumador paralelo ponderado (aplicando la ley de corrientes de Kirchhoff ) que incorpora tanto la atenuación como la suma. Algunos ejemplos son el disparador Schmitt acoplado colector-base , menos conocido , el disparador Schmitt no inversor con amplificador operacional , etc.

Algunos circuitos y elementos que presentan resistencia negativa también pueden actuar de forma similar: convertidores de impedancia negativa (NIC), lámparas de neón , diodos túnel (por ejemplo, un diodo con una característica corriente-tensión en forma de N en el primer cuadrante), etc. En este último caso, una entrada oscilante provocará que el diodo se mueva de una rama 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 a dos comparadores de lazo abierto separados (sin histéresis) que controlan un multivibrador biestable (latch) o flip-flop . El disparador se activa cuando la tensión de entrada cruza el umbral alto y se desactiva cuando cruza el umbral bajo. Nuevamente, hay retroalimentación positiva, pero ahora se concentra solo en la celda de memoria. Ejemplos de esto son el temporizador 555 y el circuito de eliminación de rebotes del interruptor. ^{[ 3 ]}

El símbolo para 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 rama superior conmutable (las resistencias del colector).${\displaystyle R_{\mathrm {C} 1}}$y​${\displaystyle R_{\mathrm {C} 2}}$⁠ ) ​​y una pierna inferior firme ( ⁠${\displaystyle R_{\mathrm {E} }}$Q1 actúa como un comparador con una entrada diferencial (unión base-emisor de Q1) que consta de una entrada inversora (base de Q1) y una entrada no inversora (emisor de 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 controla la segunda etapa de colector común Q2 (un seguidor de emisor ) a través del divisor de tensión .${\displaystyle R_{1}{,}R_{2}}$Los transistores Q1 y Q2, acoplados por emisor, componen en realidad un interruptor electrónico de doble tiro que conmuta las ramas superiores del divisor de voltaje y cambia el umbral en una dirección diferente (a la del voltaje de entrada).

Esta configuración puede considerarse como un amplificador diferencial con retroalimentación positiva en serie entre su entrada no inversora (base Q2) y su salida (colector Q1) que fuerza el proceso de transición. También hay una retroalimentación negativa menor introducida por la resistencia del emisor .${\displaystyle R_{\mathrm {E} }}$Para que la retroalimentación positiva domine sobre la negativa y para obtener una histéresis, la proporción entre las dos resistencias del colector se elige de manera que${\displaystyle R_{\mathrm {C} 1}>R_{\mathrm {C} 2}}$Por lo tanto, fluye menos corriente y hay una menor caída de voltaje .${\displaystyle R_{\mathrm {E} }}$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 ( ⁠${\displaystyle V_{-}}$en la imagen) .

Variaciones

Circuito no inversor

El disparador Schmitt clásico no inversor se puede convertir en un disparador inversor tomando${\displaystyle V_{\mathrm {out} }}$desde los emisores en lugar de desde 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 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${\displaystyle R_{\mathrm {B} }}$Es obligatorio evitar el impacto del voltaje de entrada a través de la unión base-emisor de Q1 sobre el voltaje del emisor.

Circuito acoplado directamente

Para simplificar el circuito, el${\displaystyle R_{1}{,}R_{2}}$El divisor de voltaje se puede omitir conectando el colector de Q1 directamente a la base de Q2. La resistencia de base${\displaystyle R_{\mathrm {B} }}$También se puede omitir para que la fuente de voltaje de entrada controle directamente la base de Q1. ^{[ 4 ]} En este caso, el voltaje del emisor común y el voltaje del colector de Q1 no son adecuados para salidas. Solo se debe usar el colector de Q2 como salida, ya que, cuando el voltaje de entrada supera el umbral alto y Q1 se satura, su unión base-emisor se polariza 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 de Q1 siguen el voltaje de entrada. Esta situación es típica para amplificadores diferenciales de transistores sobreexcitados y compuertas ECL .

Como todo pestillo, el circuito biestable fundamental acoplado colector-base funciona con histéresis. Se puede convertir 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${\displaystyle R}$y${\displaystyle R_{4}}$forman un sumador de voltaje en paralelo (el círculo en el diagrama de bloques anterior ) que suma el voltaje de salida (colector de Q2) y el voltaje de entrada, y controla el "comparador" de transistor de terminación simple Q1. Cuando el voltaje de base cruza el umbral ( ⁠${\displaystyle V_{\mathrm {BE} 0}}$⁠ ≈Si la tensión del colector de Q2 es de 0,65  V en cualquier dirección, se añade una parte de dicha tensión en la misma dirección a la tensión de entrada. De este modo, la salida modifica la tensión de entrada mediante retroalimentación positiva en paralelo y no afecta al umbral (la tensión base-emisor).

En este circuito, las dos resistencias${\displaystyle R_{1}}$y${\displaystyle R_{2}}$forman un sumador de voltaje en paralelo. Agrega una parte del voltaje de salida al voltaje de entrada, aumentándolo durante y después de la conmutación que ocurre cuando el voltaje resultante está cerca de tierra. Esta retroalimentación positiva en paralelo crea la histéresis necesaria que está controlada por la proporción entre las resistencias de${\displaystyle R_{1}}$y​${\displaystyle R_{2}}$La salida del sumador de voltaje en paralelo es de terminación simple (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 entrada diferencial, la entrada inversora se conecta a tierra para que el punto de referencia sea de cero voltios.

La tensión de salida siempre tiene el mismo signo que la tensión de entrada del amplificador operacional , pero no siempre tiene el mismo signo que la tensión de entrada del circuito (los signos de ambas tensiones de entrada pueden ser diferentes). Cuando la tensión de entrada del circuito está por encima del umbral alto o por debajo del umbral bajo, la tensión de salida tiene el mismo signo que la tensión de entrada del circuito (el circuito no es inversor). Actúa como un comparador que conmuta en un punto diferente según si la salida del comparador es alta o baja. Cuando la tensión de entrada del circuito se encuentra entre los umbrales, la tensión de salida es indefinida y depende del último estado (el circuito se comporta como un biestable elemental ).

Por ejemplo, si el disparador Schmitt está actualmente en estado alto, la salida estará en el riel de alimentación positiva ( ⁠${\displaystyle +V_{\mathrm {S} }}$) . El voltaje de salida${\displaystyle V_{+}}$La resistividad del verano se puede encontrar aplicando el teorema de superposición : $${\displaystyle V_{+}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }+{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {S} }.}$$

El comparador cambiará cuando${\displaystyle V_{+}=0}$Entonces​${\displaystyle R_{2}\cdot V_{\mathrm {in} }=-R_{1}\cdot V_{\mathrm {S} }}$(El mismo resultado se puede obtener aplicando el principio de conservación actual). Por lo tanto,${\displaystyle V_{\mathrm {in} }}$debe caer por debajo${\textstyle -{\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{\mathrm {S} }}$para que la salida cambie. Una vez que la salida del comparador haya cambiado a ⁠${\displaystyle -V_{\mathrm {S} }}$⁠ , el umbral se convierte en${\textstyle +{\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{\mathrm {S} }}$para volver a ponerlo en alto. Por lo tanto, este circuito crea una banda de conmutación centrada en cero, con niveles de disparo.${\textstyle \pm {\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{\mathrm {S} }}$(se puede desplazar hacia la izquierda o hacia la derecha aplicando un voltaje de polarización a la entrada inversora). El voltaje de entrada debe subir por encima del límite superior de la banda y luego por debajo del límite inferior de la banda para que la salida se active (positivo) y luego se desactive (negativo). Si${\displaystyle R_{1}}$es cero o${\displaystyle R_{2}}$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${\displaystyle T}$⁠ viene dado por ⁠${\displaystyle \textstyle T={\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{\mathrm {s} }}$y el valor máximo de la salida${\displaystyle M}$es el riel de alimentación.

Una propiedad única de los circuitos con retroalimentación positiva en paralelo es el impacto en la fuente de entrada. En los 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${\displaystyle R_{1}{,}R_{2}}$La salida del amplificador operacional hace pasar 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 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 sustituirse por un único diodo Zener de doble ánodo ). En esta configuración, los niveles de salida pueden modificarse 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${\displaystyle R_{3}}$está ahí para limitar la corriente a través de los diodos y la resistencia.${\displaystyle R_{4}}$minimiza el desfase de tensión de entrada causado por las corrientes de fuga de entrada del comparador.

En la versión inversora, la atenuación y la suma están separadas. Las dos resistencias${\displaystyle R_{1}}$y${\displaystyle R_{2}}$actúa únicamente como un atenuador "puro" (divisor de voltaje). El bucle de entrada actúa como un sumador de voltaje en serie (aplicación de la ley de voltaje de Kirchhoff (LVK)) 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 se controla mediante la proporción entre las resistencias de${\displaystyle R_{1}}$y toda la resistencia (${\displaystyle R_{1}}$y​${\displaystyle R_{2}}$⁠ ). 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 , ya que la tensión de salida siempre tiene signo opuesto a la tensión de entrada cuando está fuera del ciclo de histéresis (cuando la tensión de entrada está por encima del umbral alto o por debajo del umbral bajo). Sin embargo, si la tensión de entrada está dentro del ciclo de histéresis (entre los umbrales alto y bajo), el circuito puede ser inversor o no inversor. La tensión de salida es indefinida y depende del último estado, por lo que el circuito se comporta como un biestable elemental.

Para comparar las dos versiones, se considerará el funcionamiento del circuito en las mismas condiciones que las anteriores. Si el disparador Schmitt se encuentra actualmente en estado alto, la salida estará en el riel de alimentación positivo .${\displaystyle +V_{\mathrm {S} }}$⁠ . El voltaje de salida${\displaystyle V_{+}}$del divisor de voltaje es: $${\displaystyle V_{+}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\text{s}}.}$$

El comparador cambiará cuando${\displaystyle V_{\mathrm {in} }=V_{+}}$⁠ . Entonces${\displaystyle V_{\mathrm {in} }}$debe superar este voltaje para que la salida cambie. Una vez que la salida del comparador haya cambiado a${\displaystyle -V_{\mathrm {S} }}$⁠ , el umbral se convierte en${\textstyle -{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}V_{\mathrm {S} }}$para volver a ponerlo en alto. Por lo tanto, este circuito crea una banda de conmutación centrada en cero, con niveles de disparo.${\textstyle \pm {\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}V_{\mathrm {S} }}$(se puede desplazar hacia la izquierda o hacia la derecha conectando${\displaystyle R_{1}}$a una tensión de polarización). La tensión de entrada debe subir por encima del límite superior de la banda y luego por debajo del límite inferior de la banda, para que la salida se apague (menos) y luego se vuelva a encender (más). Si${\displaystyle R_{1}}$es cero (es decir, un cortocircuito ) o${\displaystyle R_{2}}$Si es infinito, la banda colapsa a un ancho cero y se comporta como un comparador estándar.

A diferencia de la versión en paralelo, este circuito no afecta a 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 es${\displaystyle R_{1}}$Decide los voltajes de referencia, es decir, el voltaje umbral superior .${\displaystyle V_{+}}$y voltajes umbral más bajos${\displaystyle V_{-}}$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.

Al cambiar la caída a través de${\displaystyle R_{1}}$⁠ , los voltajes umbral pueden variar. Al agregar un voltaje de polarización ⁠${\displaystyle V_{\mathrm {b} }}$en serie con la resistencia${\displaystyle R_{1}}$La caída de tensión a través de ella puede variar, lo que puede modificar los voltajes umbral. Los valores deseados de los voltajes de referencia pueden obtenerse variando el voltaje de polarización. Las ecuaciones anteriores pueden modificarse de la siguiente manera: $${\displaystyle V_{\pm }=\pm V_{\text{s}}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}+V_{\text{b}}{\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}.}$$