施密特触发器的实现

2025-02-27 07:13:05

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回答（1）：

隧道二极管
施密特触发器可以利用简单的隧道二极管（英语：tunnel diode）实现，这种二极管的伏安特性在第一象限中是一条“N”形曲线。振荡输入会使二极管的伏安特性从“N”形曲线的上升分支移动到另一分支，然后在输入值超越上升和下降翻转阈值时回到起点。不过，这类施密特触发器的性能可以利用基于晶体管的元件来提升，因为基于晶体管的元件可以通过非常直接的利用正反馈来提升翻转性能。
比较器
施密特触发器常用接入正反馈的比较器来实现。对于这一电路，翻转发生在接近地的位置，迟滞量由R1与R2的阻值控制。
比较器提取了两个输入之差的符号。当同相（+）输入的电压高于反相（-）输入的电压时，比较器输出翻转到高工作电压+Vs；当同相（+）输入的电压低于反相（-）输入的电压时，比较器输出翻转到低工作电压-Vs。这里的反相（-）输入是接地的，因此这里的比较器实现了函数符号，具有二态输出的特性，只有高和低两种状态，当同相（+）端连续输入时总有相同的符号。
由于电阻网络将施密特触发器的输入端（即比较器的同相（+）端）和比较器的输出端连接起来，施密特触发器的表现类似比较器，能在不同的时刻翻转电平，这取决于比较器的输出是高还是低。若输入是绝对值很大的负输入，输出将为低电平；若输入是绝对值很大的正输入，输出将为高电平，这就实现了同相施密特触发器的功能。不过对于取值处于两个阈值之间的输入，输出状态同时取决于输入和输出。例如，如果施密特触发器的当前状态是高电平，输出会处于正电源+Vs上。这时V+就会成为Vin和+Vs间的分压器。在这种情况下，只有当V+=0（接地）时，比较器才会翻转到低电平。由电流守恒，可知此时满足下列关系：

因此必须降低到低于-R1Vs/R2时，输出才会翻转状态。一旦比较器的输出翻转到−Vs，翻转回高电平的阈值就变成了+R1Vs/R2。这样，电路就形成了一段围绕原点的翻转电压带，而触发电平是±R1Vs/R2。只有当输入电压上升到电压带的上限，输出才会翻转到高电平；只有当输入电压下降到电压带的下限，输出才会翻转回低电平。若R1为0，R2为无穷大（即开路）。电压带的宽度会压缩到0，此时电路就变成一个标准比较器。输出特性如右图所示。阈值T由R1Vs/R2给出，输出M的最大值是电源轨。实际配置的非反相施密特触发电路如下图所示。

输出特性曲线与上述基本配置的输出曲线形状相同，阈值大小也与上述配置满足相同的关系。不同点在于上例的输出电压取决于供电电源，而这一电路的输出电压由两个齐纳二极管确定。在这一配置中，输出电平可以通过选择适宜的齐纳二极管来改变，而输出电平对于电源波动具有抵抗力，也就是说输出电平提高了比较器的电源电压抑制比（PSRR）。电阻R3用于限制通过二极管的电流，电阻R4将比较器的输入漏电流引起的输入失调电压降低到最小。
两个晶体管
在使用正反馈配置实现的施密特触发器中，比较器自身可以实现的大部分复杂功能都没有使用。因此，电路可以用两个交叉耦合的晶体管来实现（即晶体管可以用另外一种方式来实现输入级）。基于2个晶体管的施密特触发电路如下图所示。通路RC1 R1 R2设定了晶体管T2的基极电压，不过，这一分压通路会受到晶体管T1的影响，如果T1开路，通路将会提供更高的电压。因此，在两个状态间翻转的阈值电压取决于触发器的现态。
对于如上所示的NPN晶体管，当输入电压远远低于共射极电压时，T1不会导通。晶体管T2的基极电压由上述分压电路决定。由于接入负反馈，共射极上所加的电压必须几乎与分压电路上所确定的电压几乎一样高，这样就能使T2导通，并且触发器的输出是低电平状态。当输入电压（T1基极电压）上升到比电阻RE上的电压（射极电压）稍高时，T1将会导通。当T1开始导通时，T2不再导通，因为此时分压通路提供的电压低于T2基极电压，而射极电压不会降低，因为T1此时消耗通过RE的电流。此时T2不导通，触发器过渡到高电平状态。
此时触发器处于高电平状态，若输入电压降低得足够多，则通过T1的电流会降低，这会降低T2的共射极电压并提高其基极电压。当T2开始导通时，RE上的电压上升，然后会降低T1的基极－射极电位，T1不再导通。
在高电平状态时，输出电压接近V+；但在低电平状态时，输出电压仍会远远高于V−。因此在这种情况下，输出电压不够低，无法达到逻辑低电平，这就需要在触发器电路上附加放大器。
上述电路可以被简化：R1可以用短路连接代替，这样T2基极就直接连接到T1集电极，R2可以去掉并以开路代替。电路运行的关键是当T1接通（电流输入基极的结果）时，通过RE的电流比T1截止时小，因为T1导通时会使T2截止，而当T2导通时，相比T1会为RE提供更大的通过电流。当流入RE的电流减小时，其上的电压会降低，因此一旦电流开始流入T1，输入电压一定会降低以使T1回到截止状态，这是因为此时T1的射极电压已降低。这一施密特触发缓冲器也可以变成一个施密特触发反相器，而且在此过程中还能省去一个电阻，方法是将RK2以短接代替，并将Vout连接到T2射极而不是集电极。不过在这种情况下，RE的阻值应该更大，因为此时RE要充当输出端的下拉电阻，作用是当输出应该为低电平时，其会降低输出端的电压。若RE的阻值较小，其上只能产生一个较小的电压，在输出应该为数字低电平时，这一电压实际上会提高输出电压。

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