Introduction à Schmitt Trigger

Presque tous les circuits numériques utilisés dans les communications de données à haut débit modernes nécessitent une forme d'action de déclenchement de Schmitt sur ses entrées.

Pourquoi Schmitt Trigger est utilisé

Le but principal d'un déclencheur Schmitt ici est d'éliminer le bruit et les interférences sur les lignes de données et de fournir une belle sortie numérique propre avec des transitions de front rapides.

Les temps de montée et de descente doivent être suffisamment faibles dans une sortie numérique pour pouvoir être appliqués en tant qu'entrées aux étages suivants d'un circuit. (De nombreux circuits intégrés ont des limitations du type de transition de bord qui peut apparaître sur une entrée.)

Le principal avantage des déclencheurs de Schmitt ici est qu'ils nettoient les signaux bruyants tout en maintenant un débit de données élevé, contrairement aux filtres, qui peuvent filtrer le bruit, mais ralentir considérablement le débit de données.

Les déclencheurs de Schmitt sont également couramment trouvés dans les circuits qui ont besoin d'une forme d'onde avec des transitions de bord lentes pour être traduite en une forme d'onde numérique avec des transitions de bord rapides et propres.

Un déclencheur Schmitt peut transformer presque n'importe quelle forme d'onde analogique - comme une onde sinusoïdale ou une forme d'onde en dents de scie - en un signal numérique ON-OFF avec des transitions de front rapides.

En fonctionnement, la sortie numérique peut être haute ou basse, et cette sortie ne change d'état que lorsque sa tension d'entrée passe au-dessus ou en dessous de deux limites de tension de seuil prédéfinies. Si la sortie est basse, la sortie ne passera pas à haute sauf si le signal d'entrée dépasse une certaine limite de seuil supérieure.

De même, si la sortie se trouve être élevée, la sortie ne passera pas à faible tant que le signal d'entrée ne passera pas en dessous d'une certaine limite de seuil inférieure.

Le seuil inférieur est légèrement inférieur à la limite supérieure du seuil. Tout type de forme d'onde peut être appliqué à l'entrée (ondes sinusoïdales, dents de scie, formes d'onde audio, impulsions, etc.) tant que son amplitude est dans la plage de tension de fonctionnement.

Diagarm expliquera Schmitt Trigger

Le diagramme ci-dessous montre l'hystérésis résultant des valeurs de seuil de tension d'entrée supérieure et inférieure. Chaque fois que l'entrée dépasse la limite supérieure du seuil, la sortie est élevée.

Lorsque l'entrée est inférieure au seuil inférieur, la sortie est faible et lorsque la tension du signal d'entrée se trouve entre les limites de seuil supérieure et inférieure, la sortie conserve sa valeur précédente, qui peut être élevée ou basse.

La distance entre le seuil inférieur et le seuil supérieur est appelée écart d'hystérésis. La sortie conserve toujours son état précédent jusqu'à ce que l'entrée change suffisamment pour la déclencher. C'est la raison de la désignation «déclencheur» dans le nom.

Le déclencheur de Schmitt fonctionne à peu près de la même manière qu'un circuit de verrouillage bistable ou un multivibrateur bistable, car il dispose d'une mémoire interne de 1 bit et change d'état en fonction des conditions de déclenchement.

Utilisation de la série IC 74XX pour le fonctionnement du déclencheur Schmitt

Texas Instruments propose des fonctions de déclenchement Schmitt dans presque toutes ses familles de technologies, de l'ancienne famille 74XX à la dernière famille AUP1T.

Ces circuits intégrés peuvent être conditionnés avec un déclencheur Schmitt inverseur ou non inverseur. La plupart des dispositifs de déclenchement Schmitt, tels que le 74HC14, ont des niveaux de seuil à un rapport fixe de Vcc.

Cela peut convenir à la plupart des applications, mais parfois les niveaux de seuil doivent être modifiés en fonction des conditions du signal d'entrée.

Par exemple, la plage du signal d'entrée peut être plus petite que l'écart d'hystérésis fixe. Les niveaux de seuil peuvent être modifiés dans des circuits intégrés comme le 74HC14 en connectant une résistance de rétroaction négative de la sortie à l'entrée avec une autre résistance connectant le signal d'entrée à l'entrée du dispositif.

Cela fournit la rétroaction positive nécessaire pour l'hystérésis, et l'écart d'hystérésis peut maintenant être ajusté en modifiant les valeurs des deux résistances ajoutées, ou en utilisant un potentiomètre. Les résistances doivent avoir une valeur suffisante pour maintenir l'impédance d'entrée à un niveau élevé.

Un déclencheur de Schmitt est un concept simple, mais il n'a été inventé qu'en 1934, alors qu'un scientifique américain du nom d'Otto H. Schmitt était encore étudiant diplômé.

A propos d'Otto H. Schmitt

Il n'était pas ingénieur électricien, car ses études étaient axées sur le génie biologique et la biophysique. Il a eu l'idée d'un déclencheur de Schmitt alors qu'il essayait de concevoir un appareil qui reproduirait le mécanisme de propagation de l'impulsion neurale dans les nerfs du calmar.

Sa thèse décrit un «déclencheur thermo-ionique» qui permet à un signal analogique d’être converti en un signal numérique, qui est complètement activé ou désactivé («1» ou «0»).

Il ne savait pas que les grandes sociétés d'électronique comme Microsoft, Texas Instruments et NXP Semiconductors ne pourraient pas exister telles qu'elles sont aujourd'hui sans cette invention unique.

Le déclencheur de Schmitt s'est avéré être une invention si importante qu'il est utilisé dans les mécanismes d'entrée de pratiquement tous les appareils électroniques numériques du marché.

Qu'est-ce qu'un déclencheur Schmitt

Le concept d'un déclencheur de Schmitt est basé sur l'idée de rétroaction positive et le fait que tout circuit ou dispositif actif peut être amené à agir comme un déclencheur de Schmitt en appliquant la rétroaction positive de sorte que le gain de boucle soit supérieur à un.

La tension de sortie du dispositif actif est atténuée d'une quantité déterminée et appliquée comme rétroaction positive à l'entrée, ce qui ajoute efficacement le signal d'entrée à la tension de sortie atténuée, ce qui crée une action d'hystérésis avec des valeurs de seuil de tension d'entrée supérieures et inférieures.

La plupart des tampons, onduleurs et comparateurs standard n'utilisent qu'une seule valeur de seuil. La sortie change d'état dès que la forme d'onde d'entrée franchit ce seuil dans un sens ou dans l'autre.

Comment fonctionne Schmitt Trigger

Un signal d'entrée bruyant ou un signal avec une forme d'onde lente apparaîtrait sur la sortie comme une série d'impulsions de bruit.

Un déclencheur de Schmitt nettoie ceci est vers le haut - après que la sortie change d'état lorsque son entrée franchit un seuil, le seuil lui-même change également, donc maintenant la tension d'entrée doit se déplacer plus loin dans la direction opposée pour changer à nouveau d'état.

Le bruit ou les interférences sur l'entrée n'apparaissent pas sur la sortie à moins que son amplitude ne soit supérieure à la différence entre les deux valeurs de seuil.

Tout signal analogique, comme des formes d'onde sinusoïdales ou des signaux audio, peut être traduit en une série d'impulsions ON-OFF avec des transitions de front rapides et propres.Il existe trois méthodes pour implémenter la rétroaction positive pour former un circuit de déclenchement de Schmitt.

Fonctionnement du feedback dans Schmitt Trigger

Dans la première configuration, la rétroaction est ajoutée directement à la tension d'entrée, de sorte que la tension doit se décaler d'une plus grande quantité dans la direction opposée pour provoquer un autre changement de sortie.

Ceci est communément appelé rétroaction positive parallèle.

Dans la seconde configuration, la rétroaction est soustraite de la tension de seuil, ce qui a le même effet que l'ajout de rétroaction à la tension d'entrée.

Cela forme un circuit de rétroaction positive en série et est parfois appelé circuit de seuil dynamique. Un réseau de résistances-diviseurs définit généralement la tension de seuil, qui fait partie de l'étage d'entrée.

Les deux premiers circuits peuvent être facilement mis en œuvre via l'utilisation d'un seul amplificateur opérationnel ou de deux transistors avec quelques résistances. La troisième technique est un peu plus complexe et est différente en ce qu’elle n’a aucun retour sur aucune partie de l’étage d’entrée.

Cette méthode utilise deux comparateurs séparés pour les deux valeurs limites de seuil et une bascule comme élément de mémoire 1 bit. Il n'y a pas de rétroaction positive appliquée aux comparateurs, car ils sont contenus dans l'élément mémoire. Chacune de ces trois méthodes est expliquée plus en détail dans les paragraphes suivants.

Tous les déclencheurs de Schmitt sont des dispositifs actifs reposant sur une rétroaction positive pour réaliser leur action d'hystérésis. La sortie passe à «haut» chaque fois que l'entrée dépasse une certaine limite de seuil supérieure prédéfinie, et passe à «bas» chaque fois que l'entrée tombe en dessous d'une limite de seuil inférieure.

La sortie conserve sa valeur précédente (basse ou haute), lorsque l'entrée se situe entre les deux seuils.

Ce type de circuit est souvent utilisé pour nettoyer les signaux bruyants et convertir une forme d’onde analogique en une forme d’onde numérique (1 et 0) avec des transitions de front nettes et rapides.

Types de rétroaction dans les circuits de déclenchement de Schmitt

Il existe trois méthodes généralement utilisées pour mettre en œuvre une rétroaction positive pour former un circuit de déclenchement de Schmitt. Ces méthodes sont la rétroaction parallèle, la rétroaction série et la rétroaction interne, et sont décrites ci-dessous.

Les techniques de rétroaction en parallèle et en série sont en fait des versions doubles du même type de circuit de rétroaction. Rétroaction parallèle Un circuit de rétroaction parallèle est parfois appelé circuit de tension d'entrée modifiée.

Dans ce circuit, la rétroaction est ajoutée directement à la tension d'entrée et n'affecte pas la tension de seuil. Comme la rétroaction est ajoutée à l'entrée lorsque la sortie change d'état, la tension d'entrée doit se décaler d'une plus grande quantité dans la direction opposée pour provoquer un changement supplémentaire de la sortie.

Si la sortie est basse et que le signal d'entrée augmente au point où il franchit la tension de seuil et la sortie passe à haut.

Une partie de cette sortie est appliquée directement à l'entrée via une boucle de rétroaction, ce qui «aide» la tension de sortie à rester dans son nouvel état.

Cela augmente efficacement la tension d'entrée, ce qui a le même effet que l'abaissement de la tension de seuil.

La tension de seuil elle-même n'est pas modifiée, mais l'entrée doit maintenant se déplacer plus loin dans le sens descendant pour faire passer la sortie à un état bas. Une fois que la sortie est basse, ce même processus se répète pour revenir à l'état haut.

Ce circuit n'a pas besoin d'utiliser un amplificateur différentiel, car tout amplificateur non inverseur asymétrique fonctionnera.

Le signal d'entrée et la rétroaction de sortie sont tous deux appliqués à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur via des résistances, et ces deux résistances forment un additionneur parallèle pondéré. S'il y a une entrée inverseuse, elle est réglée sur une tension de référence constante.

Des exemples de circuits de rétroaction parallèles sont un circuit de déclenchement Schmitt couplé à une base collecteur ou un circuit amplificateur opérationnel non inverseur, comme illustré:

Commentaires sur la série

Un circuit de seuil dynamique (rétroaction en série) fonctionne essentiellement de la même manière qu'un circuit de rétroaction parallèle, sauf que le retour de la sortie change directement la tension de seuil au lieu de la tension d'entrée.

La rétroaction est soustraite de la tension de seuil, ce qui a le même effet que l'ajout de rétroaction à la tension d'entrée. Dès que l'entrée franchit la limite de tension de seuil, la tension de seuil passe à la valeur opposée.

L'entrée doit maintenant changer davantage dans la direction opposée pour changer à nouveau l'état de sortie. La sortie est isolée de la tension d'entrée et n'affecte que la tension de seuil.

Par conséquent, la résistance d'entrée peut être rendue beaucoup plus élevée pour ce circuit série par rapport à un circuit parallèle. Ce circuit est généralement basé sur un amplificateur différentiel où l'entrée est connectée à l'entrée inverseuse et la sortie est connectée à l'entrée non inverseuse via un diviseur de tension à résistance.

Le diviseur de tension définit les valeurs de seuil et la boucle agit comme un additionneur de tension en série. Des exemples de ce type sont le déclencheur Schmitt couplé à un émetteur à transistor classique et un circuit amplificateur opérationnel inverseur, comme indiqué ici:

Rétroaction interne

Dans cette configuration, un déclencheur de Schmitt est créé en utilisant deux comparateurs séparés (sans hystérésis) pour les deux limites de seuil.

Les sorties de ces comparateurs sont connectées aux entrées set et reset d'une bascule RS. La rétroaction positive est contenue dans la bascule, il n'y a donc pas de rétroaction aux comparateurs. La sortie de la bascule RS bascule vers le haut lorsque l'entrée dépasse le seuil supérieur, et bas vers le bas lorsque l'entrée passe sous le seuil inférieur.

Lorsque l'entrée se trouve entre les seuils supérieur et inférieur, la sortie conserve son état précédent. Un exemple d'appareil qui utilise cette technique est le 74HC14 fabriqué par NXP Semiconductors et Texas Instruments.

Cette partie se compose d'un comparateur de seuil supérieur et d'un comparateur de seuil inférieur, qui sont utilisés pour régler et réinitialiser une bascule RS. Le déclencheur 74HC14 Schmitt est l'un des dispositifs les plus populaires pour interfacer les signaux du monde réel avec l'électronique numérique.

Les deux limites de seuil de cet appareil sont fixées à un rapport fixe de Vcc. Cela minimise le nombre de pièces et maintient le circuit simple, mais parfois les niveaux de seuil doivent être modifiés pour différents types de conditions de signal d'entrée.

Par exemple, la plage du signal d'entrée peut être inférieure à la plage de tension d'hystérésis fixe. Les niveaux de seuil peuvent être modifiés dans le 74HC14 en connectant une résistance de rétroaction négative de la sortie à l'entrée, et une autre résistance connectant le signal d'entrée à l'entrée.

Cela réduit efficacement la rétroaction positive fixe de 30% à une valeur inférieure, telle que 15%. Il est important d'utiliser pour cela des résistances de grande valeur (gamme Mega-Ohm) afin de maintenir la résistance d'entrée élevée.

Avantages du déclencheur Schmitt

Les déclencheurs de Schmitt servent un objectif dans tout type de système de communication de données à grande vitesse avec une forme de traitement numérique du signal. En fait, ils ont un double objectif: éliminer le bruit et les interférences sur les lignes de données tout en maintenant un débit de données élevé, et convertir une forme d'onde analogique aléatoire en une forme d'onde numérique ON-OFF avec des transitions de bord rapides et nettes.

Cela offre un avantage par rapport aux filtres, qui peuvent filtrer le bruit, mais ralentir considérablement le débit de données en raison de leur bande passante limitée. De plus, les filtres standard ne sont pas en mesure de fournir une sortie numérique agréable et propre avec des transitions de front rapides lorsqu'une forme d'onde d'entrée lente est appliquée.

Ces deux avantages des déclencheurs de Schmitt sont expliqués plus en détail comme suit: Entrées de signal bruyant Les effets du bruit et des interférences sont un problème majeur dans les systèmes numériques car des câbles de plus en plus longs sont utilisés et des débits de données de plus en plus élevés sont nécessaires.

Certains des moyens les plus courants de réduire le bruit incluent l'utilisation de câbles blindés, l'utilisation de fils torsadés, l'adaptation des impédances et la réduction des impédances de sortie.

Ces techniques peuvent être efficaces pour réduire le bruit, mais il restera encore du bruit sur une ligne d'entrée, ce qui pourrait déclencher des signaux indésirables dans un circuit.

La plupart des tampons, onduleurs et comparateurs standard utilisés dans les circuits numériques n'ont qu'une seule valeur de seuil sur l'entrée. Ainsi, la sortie change d'état dès que la forme d'onde d'entrée franchit ce seuil dans les deux sens.

Si un signal de bruit aléatoire franchit ce point de seuil sur une entrée plusieurs fois, il sera vu sur la sortie comme une série d'impulsions. En outre, une forme d'onde avec des transitions de front lentes peut apparaître sur la sortie sous la forme d'une série d'impulsions de bruit oscillant.

Parfois, un filtre est utilisé pour réduire ce bruit supplémentaire, comme dans un réseau RC. Mais chaque fois qu'un filtre comme celui-ci est utilisé sur le chemin de données, il ralentit considérablement le débit de données maximal. Les filtres bloquent le bruit, mais ils bloquent également les signaux numériques haute fréquence.

Filtres de déclenchement Schmitt

Un déclencheur Schmitt nettoie c'est en place. Une fois que la sortie change d'état lorsque son entrée franchit un seuil, le seuil lui-même change également, de sorte que l'entrée doit se déplacer plus loin dans la direction opposée pour provoquer un autre changement de sortie.

En raison de cet effet d'hystérésis, l'utilisation de déclencheurs de Schmitt est probablement le moyen le plus efficace de réduire les problèmes de bruit et d'interférence dans un circuit numérique. Les problèmes de bruit et d'interférence peuvent généralement être résolus, voire éliminés, en ajoutant une hystérésis sur la ligne d'entrée sous la forme d'un déclencheur de Schmitt.

Tant que l'amplitude du bruit ou des interférences sur l'entrée est inférieure à la largeur de l'intervalle d'hystérésis du déclencheur de Schmitt, il n'y aura aucun effet de bruit sur la sortie.

Même si l'amplitude est légèrement supérieure, elle ne devrait pas affecter la sortie à moins que le signal d'entrée ne soit centré sur l'écart d'hystérésis. Les niveaux de seuil peuvent devoir être ajustés afin d'obtenir une élimination maximale du bruit.

Cela peut facilement être fait en modifiant les valeurs d'une résistance dans le réseau de rétroaction positive ou en utilisant un potentiomètre.

Le principal avantage d'un déclencheur de Schmitt par rapport aux filtres est qu'il ne ralentit pas le débit de données et l'accélère dans certains cas via la conversion de formes d'onde lentes en formes d'onde rapides (transitions de front plus rapides). Le marché utilise aujourd'hui une forme d'action de déclenchement de Schmitt (hystérésis) sur ses entrées numériques.

Ceux-ci incluent les MCU, les puces de mémoire, les portes logiques, etc. Bien que ces circuits intégrés numériques puissent avoir une hystérésis sur leurs entrées, beaucoup d'entre eux ont également des limitations pour leurs temps de montée et de descente d'entrée affichés sur leurs fiches techniques, et celles-ci doivent être prises en compte. Un déclencheur Schmitt idéal n'a aucune limitation de temps de montée ou de descente sur son entrée.

Formes d'onde d'entrée lentes parfois l'écart d'hystérésis est trop petit, ou il n'y a qu'une seule valeur de seuil (un dispositif de déclenchement non Schmitt) où la sortie devient élevée si l'entrée dépasse le seuil, et la sortie devient faible si le signal d'entrée tombe en dessous il.

Dans de tels cas, il y a une zone marginale autour du seuil et un signal d'entrée lent peut facilement provoquer des oscillations ou un excès de courant à travers le circuit, ce qui pourrait même endommager l'appareil.Ces signaux d'entrée lents peuvent parfois se produire même en numérique rapide. circuits dans des conditions de mise sous tension ou dans d'autres conditions où un filtre (tel qu'un réseau RC) est utilisé pour fournir des signaux aux entrées.

Des problèmes de ce type surviennent souvent dans les circuits de «rebond» des commutateurs manuels, des câbles ou des câbles longs et des circuits fortement chargés.

Par exemple, si un signal de rampe lente (intégrateur) est appliqué à un tampon et qu'il franchit le point de seuil unique sur l'entrée, la sortie changera d'état (de bas en haut, par exemple). Cette action de déclenchement pourrait entraîner momentanément un courant supplémentaire de l'alimentation électrique et abaisser légèrement le niveau de puissance VCC.

Ce changement pourrait être suffisant pour amener la sortie à changer à nouveau son état de haut en bas, car le tampon détecte que l'entrée a de nouveau franchi le seuil (bien que l'entrée reste la même). Cela pourrait se répéter dans la direction opposée, de sorte qu'une série d'impulsions oscillantes apparaîtrait sur la sortie.

L'utilisation d'un déclencheur de Schmitt dans ce cas éliminera non seulement les oscillations, mais elle traduira également les transitions de front lentes en une série propre d'impulsions ON-OFF avec des transitions de front presque verticales. La sortie d'un déclencheur de Schmitt peut ensuite être utilisée comme entrée du dispositif suivant en fonction de ses spécifications de temps de montée et de descente.

(Bien que les oscillations puissent être éliminées en utilisant un déclencheur de Schmitt, il peut toujours y avoir un flux de courant excessif dans une transition, qui peut devoir être corrigé d'une autre manière.)

Le déclencheur de Schmitt se trouve également dans les cas où une entrée analogique, telle qu'une forme d'onde sinusoïdale, une forme d'onde audio ou une forme d'onde en dents de scie, doit être convertie en une onde carrée ou un autre type de signal numérique ON-OFF avec des transitions de front rapides.