Шмитов компаратор

Регенеративна кола генеришу напоне претежно правоугаоног облика. Мреже ових кола углавном представљају појачавачке системе са позитивном повратном спегом, код њих је кружно појачање веће од један. Према томе, као прекидачи у овим колима могу да послуже само активни елементи. С обзиром на то да оваква мрежа треба да ради у прекидачком режиму, мора бити побуђивана великим сигналима у циљу коришћења линеарног дијела преносне карактетистике. Основна карактеристика регенеративних прекидачких кола је та, да процес измјене стационарних стања у мрежи мијења врло брзо. То је послиједица чињенице, да он добија комулативан односно регенеративан карактер. Једно такво регенеративно коло, је и Шмитово коло.

Конфигурација Шмитовог кола

Шема Шмитовог кола

На слици је дата слика Шмитовог кола, изведеног са дискретним компонентама као двостепени појачавач са емиторском спрегом. Веза са излаза транзистора TR1 остварена преко раздијелника R_S - R_B. Спрега од ТР2 ка ТР1 изведена је преко заједничког отпорника R_E, који је постављен у емиторски довод оба транзистора.

Ако претпоставимо да је улазни напон V_U толико мали да је транзистор TR1 закочен. Потенцијал на излазу из транзистора, тј. и потенцијал на улазу транзистора TR2 је висок, те је TR2 у проводном стању. Ако се повећа улазни напон тако да TR1 почиње да проводи, настаје смањење напона V_C1 и V_B2. Због тога се смањује и струја кроз TR2, па и напон на отпорнику R_E. Други степен мреже може да се посматра и као емиторски појачавач и са оптерећењем у колекторском доводу. У вези са тим настало смањење напона V_B2 изазваће приближно исто смањење напона V_E. Види се да повећање напона на бази TR1 изазива смањење напона истог транзистора. Тако се поваћава ефективни побудни напон на улазу посматраног система ,што показује да је у питању позитивна повратна спрега.С тога настаје још јаче провођење TR1, па се и напон V_B2 још више смањује. Процес измјене стања у колу завршиће се када TR2 буде закочен а TR1 проводан. Закључујемо да се у овој мрежи дешава регенеративан процес у току промјене стања у прекидачким елементима. Проводни транзистори у Шмитовом колу чешће налазе у активном режиму него у засићењу, чиме се обезбјеђују повољни параметри кола за неке примјене.

Преносна карактеристика Шмитовог кола

У општем случају ова карактеристика садржи три сегмента при чему нагиб средњег сегмента зависи од величине кружног појачања.

Преносна карактеристика Шмитовог кола

Ако је кружно појачање једнако јединици сегмент це бити вертикалан, ако је већи од јединице бице нагнут улијево, а за вриједности мање од један удесно. Регенеративни процес настаје само ако је кружно појачање веће од један. Средњи сегмент показује да систем посједује карактеристику са негативном отпорношћу, што само потврђује постојање регенеративних процеса у прелазном режиму. Хоризонтални сегменти карактеристике одговарају устаљеним стањима у колу док се коси односе на прелазни режим. Тако су тачке А и C стабилне, док је B нестабилна. За уцртавање преносне карактеристике кола потребно је познавати вриједности напона V_U и V_I у преломним тачкама, које се зову прагови Шмитовог кола. Ради упрошћења одређивања тих вриједности претпоставићемо да су коефициенти струјног појачања транзистора врло велики, тако да се утицај базних струја транзистора на расподјелу напона у мрежи може занемарити. Ако је улази напон V_U врло мали, TR1 биће закочен, па се на бази TR2 успоставља виши ниво напона.

$V_{BV2}={\frac {R_{B}}{R_{B}+R_{S}+R_{V1}}}V_{CC}$

Овај напон обезбјеђује провођење TR2 тако да се на њему успоставља ниски излазни напон.

${\mathit {v_{I}}}=V_{IN}=V_{CC}-(V_{BV2}-V_{EV2}){\frac {R_{C2}}{R_{E}}}$

Када се достигне вриједност вишег прага:

${\mathit {v_{U}}}=V_{TV}=V_{BV2}-V_{EV2}+V_{BET1}=V_{BV2}\!$

Почиње да води TR1, чиме се стварају услови за настајње регенеративног процеса у колу. Горња прелома тачка преносне карактеристике добија се при смањувању улазног напона са вриједности која је била већа од V_TV, што значи да је у посматраном периоду TR1 проводан а TR2 закочен,те се излазни напон добија:

${\mathit {v_{I}}}=V_{IV}=V_{CC}\!$

Када се при смањивању улазног напона достигне вриједност нижег прага:

${\mathit {v_{U}}}=V_{TN}=V_{BT2}-V_{BET2}+V_{BE1}=V_{BT2}\!$

Приказ компарације синусног облика у правоугаони

Почеће да води TR2. Са V_BT2 означен је напон на бази TR2 и он износи непосредно прије провођења:

$V_{BT2}={\frac {R_{B}}{R_{B}+R_{S}}}$

Напон на колектору TR1 налази се из релације

$V_{C1}=V_{CC}-R_{C1}(I_{C1}+I_{S})\!$

При чему су:

$I_{C1}={\frac {V_{BT2}-V_{BET2}}{R_{E}}}\!$ и $I_{S}={\frac {V_{C1}}{R_{B}+R_{S}}}\!$

Па се добија да је напон нижег прага:

${\mathit {v_{U}}}=V_{TN}={\frac {R_{B}(V_{CC}-V_{BET2}{\frac {R_{C1}}{R_{E}}})}{R_{B}+R_{S}+R_{C1}(1+{\frac {R_{B}}{R_{E}}})}}\!$

Преносна карактеристика показује дакле да систем у прелазном режиму има кружно појачање веће од један. Смањивањем овог појачања средњи сегмент карактеристике приближава се вертикалном положају који представља граничну вриједност појачања за регенеративан рад кола.

Вриједности улазних напона V_TV и V_TN представљају окидне прагове Шмитовог кола. Напонска разлика ових прагова назива се хистерезис Шмитовог кола. Промјеном компонената кола може се унеколико подешавати величина хистерезиса за одређене примјене кола.

Горњи праг Шмитовог кола V_TV је доста стабилан јер практично не зависи од параметара транзистора. Овај напонски праг је погодан да се искористи као референтни ниво за компарацију улазних напона. Захваљујући томе ово коло се примјењује као напонски компаратор, а пошто има два окидна прага,може се употријебити и као дискриминатор опсега напона. Треба истаћи и примјену Шмитовог кола као напонског уобличивача.

Ширина правоугаоних инпулса одређена је вриједностима напонских прагова V_TV и V_TN. Брзина успостављања ивица је веома велика и не зависи од промјене улазног напона, што је последица регенеративног рада кола. Излазни напон ће имати правоугаони облик и да се ради о произвољном облику улазног напона који у тренуцима пресјеца одговарајуће нивое Шмитовог кола.

Шмитово коло са операционим појачавачима

Приказ Шмитовог кола помоћу операционог појачавача

Реализација Шмитовог кола помоћу операционог појачавача је једноставна. Регенеративни принцип обезбијеђен је позитивном повратном спрегом, оствареном са излаза на не инверторски улаз појачавача. А референтним напоном V_R може да се подешава ниво окидних прагова кола. Као што смо већ рекли да би коло било регенеративно кружно појачање кола мора бити веће од један. Одавде произилази да фактор повратне спреге за коло мора да задовољи услов:

$\beta ={\frac {R_{1}}{R_{2}}}>{\frac {1}{A}}$

Гдје је А појачање основног степена без реакције. Да би се одредили прагови Шмитовог кола може се поћи од израза за вриједност напона на неинверторском улазу појачавача:

${\mathit {v_{X}}}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}V_{I}+{\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}{\mathit {v_{U}}}$

Пошто се прагови дефинишу за вриједност улазног напона када је V_T = V_R = V_X то се из горње једначине добија:

$V_{UT}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{2}}}V_{R}-{\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{2}}}V_{I}$

Закључујемо да ће и виши и нижи праг окидања бити одређен замјеном напона V_i одговарајућим вриједностима за виши и нижи ниво излазног напона V_IV и V_IN у претходној једначини.

Шмитово коло са логичким компонентама

Шмитово коло са TTL компонентама

Шмитово коло са CMOS инверторима

Да би се помоћу логичких компоненти могла остварити регенеративна прекидачка мрежа неопходно је да се употријебе два логичка кола, која имају појачавачко својство (НИ или НИЛИ кола, а могу и инвертори).

На слици су приказана логичка шема Шмитовог кола изведена помоћу два НИ кола. Два редно спрегнута НИ кола остварују појачавачку мрежу код које су улазни и излазни напон у фази.Према томе додавањем отпорника R₁ и R₂ остварена је позитивна повратна спрега,а тиме и могућност и могућност успостављања регенеративног процеса у мрежи.

Шмитово коло се конструише I са CMOS компонентама. Најједноставнија мрежа се изводи помоћу CMOS инвертора. I овдје се ради о принципу примјене два појачавачка степена и повратне спреге, изведене помоћу R₁ и R₂.

Примјена Шмитовог кола

Данас се Шмитова кола производе као посебне интегрисане компоненте у ТТЛ, ЕЦЛ и ЦМОС техници. Такво једно коло има, на примјер 12 мосфетова са прикључцима за улаз и два комплементна излаза. Понекад су принципи Шмитовог кола заступљени и у интегрисаним компонентама логичких кола. Тако се, на примјер, у једној интегрисаној компоненти са НИ логиком потребна логичка функција остварује са диодама на улазу у Шмитово коло, које са друге стране завршено уобичајеним инвертором у ТТл техници. Овакво НИ коло има предности у односу на обично НИ коло јер се ради о регенеративном колу које и при спорим промјенама улазног сигнала обезбјеђује брзе промјене напона на излазу.

Литература

• "Основа електроника", Спасоје Тешић и Драган Васиљевић
• "Мала школа електронике", Жељко и Владимир Крстић

Спољашње везе

• Calculator which determines the resistor values required for given thresholds