Introdução ao Schmitt Trigger

Quase qualquer circuito digital usado em comunicações de dados de alta velocidade modernas precisa de alguma forma de ação de gatilho Schmitt em suas entradas.

Por que Schmitt Trigger é usado

O objetivo principal de um gatilho Schmitt aqui é eliminar o ruído e a interferência nas linhas de dados e fornecer uma boa saída digital limpa com transições de borda rápidas.

Os tempos de subida e descida devem ser baixos o suficiente em uma saída digital para que possam ser aplicados como entradas para os estágios seguintes em um circuito. (Muitos ICs têm limitações quanto ao tipo de transição de borda que pode aparecer em uma entrada.)

A principal vantagem dos gatilhos Schmitt aqui é que eles limpam sinais ruidosos enquanto mantêm uma alta taxa de fluxo de dados, ao contrário dos filtros, que podem filtrar o ruído, mas diminuem significativamente a taxa de dados.

Os triggers Schmitt também são comumente encontrados em circuitos que precisam de uma forma de onda com transições de borda lentas para ser traduzida em uma forma de onda digital com transições de borda rápidas e claras.

Um gatilho Schmitt pode transformar quase qualquer forma de onda analógica - como uma onda senoidal ou dente de serra - em um sinal digital ON-OFF com transições de borda rápidas. Os gatilhoschmitt são dispositivos digitais ativos com uma entrada e uma saída, como um buffer ou inversor.

Em operação, a saída digital pode ser alta ou baixa, e essa saída muda de estado apenas quando sua tensão de entrada fica acima ou abaixo de dois limites predefinidos de tensão. Se a saída for baixa, ela não mudará para alta, a menos que o sinal de entrada ultrapasse um certo limite superior.

Da mesma forma, se a saída for alta, ela não mudará para baixa até que o sinal de entrada caia abaixo de certo limite inferior.

O limite inferior é um pouco mais baixo do que o limite superior. Qualquer tipo de forma de onda pode ser aplicada à entrada (ondas sinusoidais, dentes de serra, formas de onda de áudio, pulsos, etc.), desde que sua amplitude esteja dentro da faixa de tensão de operação.

Diagarm para explicar Schmitt Trigger

O diagrama abaixo mostra a histerese resultante dos valores de limite de tensão de entrada superior e inferior. Sempre que a entrada está acima do limite superior, a saída é alta.

Quando a entrada está abaixo do limite inferior, a saída é baixa, e quando a tensão do sinal de entrada está entre os limites superior e inferior do limite, a saída retém seu valor anterior, que pode ser alto ou baixo.

A distância entre o limite inferior e o limite superior é chamada de intervalo de histerese. A saída sempre retém seu estado anterior até que a entrada mude o suficiente para acioná-la para mudar. Este é o motivo da designação de “gatilho” no nome.

O gatilho Schmitt opera quase da mesma maneira que um circuito de trava biestável ou um multivibrador biestável, pois tem uma memória interna de 1 bit e muda seu estado dependendo das condições de gatilho.

Usando IC 74XX Series para Schmitt Trigger Operação

A Texas Instruments fornece funções de gatilho Schmitt em quase todas as suas famílias de tecnologia, desde a antiga família 74XX até a mais recente família AUP1T.

Esses ICs podem ser fornecidos com um gatilho Schmitt invertido ou não invertido. A maioria dos dispositivos de gatilho Schmitt, como o 74HC14, tem níveis de limite em uma proporção fixa de Vcc.

Isso pode ser adequado para a maioria das aplicações, mas às vezes os níveis de limite precisam ser alterados dependendo das condições do sinal de entrada.

Por exemplo, a faixa do sinal de entrada pode ser menor do que a lacuna de histerese fixa. Os níveis de limiar podem ser alterados em ICs como o 74HC14 conectando um resistor de feedback negativo da saída para a entrada junto com outro resistor conectando o sinal de entrada à entrada do dispositivo.

Isso fornece o feedback positivo necessário para a histerese, e a lacuna da histerese agora pode ser ajustada alterando os valores dos dois resistores adicionados ou usando um potenciômetro. Os resistores devem ter um valor grande o suficiente para manter a impedância de entrada em um nível alto.

Um gatilho Schmitt é um conceito simples, mas não foi inventado até 1934, quando um cientista americano chamado Otto H. Schmitt ainda era estudante de graduação.

Sobre Otto H. Schmitt

Ele não era engenheiro elétrico, pois seus estudos se concentraram em engenharia biológica e biofísica. Ele teve a ideia de um gatilho Schmitt enquanto tentava criar um dispositivo que replicaria o mecanismo de propagação do impulso neural nos nervos da lula.

Sua tese descreve um 'gatilho termiônico' que permite que um sinal analógico seja convertido em um sinal digital, que é totalmente ativado ou desativado ('1' ou '0').

Mal sabia ele que grandes empresas de eletrônicos como Microsoft, Texas Instruments e NXP Semiconductors não poderiam existir como são hoje sem essa invenção única.

O gatilho Schmitt acabou por ser uma invenção tão importante que é usado nos mecanismos de entrada de praticamente todos os dispositivos eletrônicos digitais no mercado.

O que é um Schmitt Trigger

O conceito de um gatilho Schmitt é baseado na ideia de feedback positivo e no fato de que qualquer circuito ou dispositivo ativo pode ser feito para agir como um gatilho Schmitt aplicando o feedback positivo de forma que o ganho do loop seja maior que um.

A tensão de saída do dispositivo ativo é atenuada por uma determinada quantidade e aplicada como feedback positivo à entrada, o que adiciona efetivamente o sinal de entrada à tensão de saída atenuada. Isso cria uma ação de histerese com valores de limite de tensão de entrada superior e inferior.

A maioria dos buffers, inversores e comparadores padrão usa apenas um valor limite. A saída muda de estado assim que a forma de onda de entrada cruza esse limite em qualquer direção.

Como funciona o Schmitt Trigger

Um sinal de entrada com ruído ou um sinal com uma forma de onda lenta apareceria na saída como uma série de pulsos de ruído.

Um gatilho Schmitt limpa isso - depois que a saída muda de estado conforme sua entrada cruza um limite, o próprio limite também muda, então agora a tensão de entrada tem que se mover mais na direção oposta para mudar de estado novamente.

Ruído ou interferência na entrada não apareceriam na saída, a menos que sua amplitude fosse maior do que a diferença entre os dois valores de limite.

Qualquer sinal analógico, como formas de onda senoidais ou sinais de áudio, pode ser traduzido em uma série de pulsos ON-OFF com transições de borda rápidas e limpas. Existem três métodos de implementação do feedback positivo para formar um circuito de disparo Schmitt.

Como funciona o feedback no Schmitt Trigger

Na primeira configuração, o feedback é adicionado diretamente à tensão de entrada, de modo que a tensão deve se deslocar em uma quantidade maior na direção oposta para causar outra mudança na saída.

Isso é comumente conhecido como feedback positivo paralelo.

Na segunda configuração, o feedback é subtraído da tensão limite, o que tem o mesmo efeito que adicionar feedback à tensão de entrada.

Isso forma um circuito de feedback positivo em série e às vezes é chamado de circuito de limite dinâmico. Uma rede divisora ​​de resistor geralmente define a tensão limite, que faz parte do estágio de entrada.

Os primeiros dois circuitos podem ser facilmente implementados por meio do uso de um único opamp ou dois transistores junto com alguns resistores. A terceira técnica é um pouco mais complexa e é diferente por não ter nenhum feedback para nenhuma parte do estágio de entrada.

Este método usa dois comparadores separados para os dois valores de limite de limiar e um flip-flop como um elemento de memória de 1 bit. Não há feedback positivo aplicado aos comparadores, pois eles estão contidos no elemento de memória. Cada um desses três métodos é explicado com mais detalhes nos parágrafos a seguir.

Todos os gatilhos Schmitt são dispositivos ativos que contam com feedback positivo para atingir sua ação de histerese. A saída vai para 'alto' sempre que a entrada sobe acima de um certo limite de limite superior predefinido, e vai para 'baixo' sempre que a entrada cai abaixo de um limite de limite inferior.

A saída retém seu valor anterior (baixo ou alto), quando a entrada está entre os dois limites.

Este tipo de circuito é frequentemente usado para limpar sinais ruidosos e converter uma forma de onda analógica em uma forma de onda digital (1 e 0) com transições de borda rápidas e limpas.

Tipos de feedback em circuitos de gatilho Schmitt

Existem três métodos normalmente usados ​​na implementação de feedback positivo para formar um circuito de disparo Schmitt. Esses métodos são feedback paralelo, feedback em série e feedback interno e são discutidos a seguir.

As técnicas de feedback paralelo e em série são, na verdade, versões duplas do mesmo tipo de circuito de feedback. Feedback paralelo Um circuito de feedback paralelo às vezes é chamado de circuito de tensão de entrada modificado.

Neste circuito, o feedback é adicionado diretamente à tensão de entrada e não afeta a tensão limite. À medida que o feedback é adicionado à entrada quando a saída muda de estado, a tensão de entrada tem que se deslocar em uma quantidade maior na direção oposta para causar mais mudança na saída.

Se a saída for baixa e o sinal de entrada aumentar até o ponto em que cruza o limite de tensão e a saída muda para alta.

Parte dessa saída é aplicada diretamente à entrada por meio de uma malha de feedback, que “ajuda” a tensão de saída a permanecer em seu novo estado.

Isso aumenta efetivamente a tensão de entrada, o que tem o mesmo efeito que reduzir a tensão limite.

A tensão limite em si não é alterada, mas a entrada agora precisa se mover mais na direção descendente para alterar a saída para um estado baixo. Uma vez que a saída é baixa, este mesmo processo se repete para voltar ao estado alto.

Este circuito não precisa usar um amplificador diferencial, pois qualquer amplificador não inversor de terminação única funcionará.

Tanto o sinal de entrada quanto o feedback de saída são aplicados à entrada não inversora do amplificador por meio de resistores, e esses dois resistores formam um verão paralelo ponderado. Se houver uma entrada inversora, ela é definida para uma tensão de referência constante.

Exemplos de circuitos de realimentação paralelos são um circuito de disparo Schmitt acoplado a base de coletor ou um circuito de amplificador operacional não inversor, conforme mostrado:

Feedback da série

Um circuito de limite dinâmico (feedback em série) opera basicamente da mesma maneira que um circuito de feedback paralelo, exceto que o feedback da saída altera diretamente a tensão de limite em vez da tensão de entrada.

O feedback é subtraído da tensão limite, que tem o mesmo efeito que adicionar feedback à tensão de entrada. Assim que a entrada cruza o limite de tensão de limiar, a tensão de limiar muda para o valor oposto.

A entrada agora tem que mudar em uma extensão maior na direção oposta para mudar o estado de saída novamente. A saída é isolada da tensão de entrada e afeta apenas a tensão limite.

Portanto, a resistência de entrada pode ser muito mais alta para este circuito em série em comparação com um circuito paralelo. Este circuito é geralmente baseado em um amplificador diferencial onde a entrada é conectada à entrada inversora e a saída é conectada à entrada não inversora por meio de um divisor de tensão do resistor.

O divisor de tensão define os valores de limite e o loop atua como um verão de tensão em série. Exemplos desse tipo são o gatilho Schmitt acoplado a emissor de transistor clássico e um circuito amplificador operacional inversor, conforme mostrado aqui:

Feedback interno

Nesta configuração, um gatilho Schmitt é criado usando dois comparadores separados (sem histerese) para os dois limites.

As saídas desses comparadores são conectadas às entradas set e reset de um flip-flop RS. O feedback positivo está contido no flip-flop, portanto, não há feedback para os comparadores. A saída do flip-flop RS muda para alto quando a entrada vai acima do limite superior e muda para baixo quando a entrada fica abaixo do limite inferior.

Quando a entrada está entre os limites superior e inferior, a saída retém seu estado anterior. Um exemplo de dispositivo que usa essa técnica é o 74HC14, fabricado pela NXP Semiconductors e Texas Instruments.

Esta parte consiste em um comparador de limite superior e um comparador de limite inferior, que são usados ​​para definir e redefinir um flip-flop RS. O gatilho Schmitt 74HC14 é um dos dispositivos mais populares para fazer a interface de sinais do mundo real com eletrônicos digitais.

Os dois limites de limiar neste dispositivo são definidos em uma proporção fixa de Vcc. Isso minimiza a contagem de peças e mantém o circuito simples, mas às vezes os níveis de limite precisam ser alterados para diferentes tipos de condições de sinal de entrada.

Por exemplo, a faixa do sinal de entrada pode ser menor do que a faixa de tensão de histerese fixa. Os níveis de limiar podem ser alterados no 74HC14 conectando um resistor de feedback negativo da saída para a entrada, e outro resistor conectando o sinal de entrada à entrada.

Isso reduz efetivamente o feedback positivo fixo de 30% para algum valor inferior, como 15%. É importante usar resistores de alto valor para isso (faixa de Mega-Ohm) para manter a resistência de entrada alta.

Vantagens do gatilho Schmitt

Os gatilhos Schmitt têm uma função em qualquer tipo de sistema de comunicação de dados de alta velocidade com alguma forma de processamento de sinal digital. Na verdade, eles servem a um propósito duplo: limpar o ruído e a interferência nas linhas de dados, mantendo uma alta taxa de fluxo de dados, e converter uma forma de onda analógica aleatória em uma forma de onda digital ON-OFF com transições de borda rápidas e claras.

Isso oferece uma vantagem sobre os filtros, que podem filtrar o ruído, mas reduzir significativamente a taxa de dados devido à largura de banda limitada. Além disso, os filtros padrão não são capazes de fornecer uma saída digital limpa e agradável com transições de borda rápidas quando uma forma de onda de entrada lenta é aplicada.

Essas duas vantagens dos gatilhos Schmitt são explicadas com mais detalhes a seguir: Entradas de sinal com ruído Os efeitos de ruído e interferência são um grande problema em sistemas digitais, pois cabos cada vez mais longos são usados ​​e taxas de dados cada vez mais altas são necessárias.

Algumas das maneiras mais comuns de reduzir o ruído incluem o uso de cabos blindados, fios trançados, impedâncias correspondentes e redução das impedâncias de saída.

Essas técnicas podem ser eficazes na redução de ruído, mas ainda haverá algum ruído deixado em uma linha de entrada e isso pode disparar sinais indesejados dentro de um circuito.

A maioria dos buffers, inversores e comparadores padrão usados ​​em circuitos digitais tem apenas um valor limite na entrada. Portanto, a saída muda de estado assim que a forma de onda de entrada cruza esse limite em qualquer direção.

Se um sinal de ruído aleatório cruzar esse ponto limite em uma entrada várias vezes, ele será visto na saída como uma série de pulsos. Além disso, uma forma de onda com transições de borda lentas pode aparecer na saída como uma série de pulsos de ruído oscilantes.

Às vezes, um filtro é usado para reduzir esse ruído extra, como em uma rede RC. Mas sempre que um filtro como esse é usado no caminho de dados, ele diminui significativamente a taxa máxima de dados. Os filtros bloqueiam o ruído, mas também bloqueiam os sinais digitais de alta frequência.

Filtros de gatilho Schmitt

Um gatilho Schmitt limpa isso. Depois que a saída muda seu estado conforme sua entrada cruza um limite, o próprio limite também muda, então a entrada tem que se mover mais na direção oposta para causar outra mudança na saída.

Por causa desse efeito de histerese, o uso de gatilhos Schmitt é provavelmente a maneira mais eficaz de reduzir o ruído e os problemas de interferência em um circuito digital. Os problemas de ruído e interferência geralmente podem ser resolvidos, se não eliminados, adicionando histerese na linha de entrada na forma de um gatilho Schmitt.

Contanto que a amplitude do ruído ou interferência na entrada seja menor que a largura da lacuna de histerese do gatilho Schmitt, não haverá efeitos de ruído na saída.

Mesmo se a amplitude for ligeiramente maior, ela não deve afetar a saída, a menos que o sinal de entrada esteja centralizado na lacuna de histerese. Os níveis de limite podem ter que ser ajustados para atingir a eliminação máxima de ruído.

Isso pode ser feito facilmente alterando os valores de um resistor na rede de feedback positivo ou usando um potenciômetro.

O principal benefício que um gatilho Schmitt fornece sobre os filtros é que ele não diminui a taxa de dados e, na verdade, a acelera em alguns casos por meio da conversão de formas de onda lentas em formas de onda rápidas (transições de borda mais rápidas). Quase qualquer IC digital no o mercado hoje usa alguma forma de ação de gatilho Schmitt (histerese) em suas entradas digitais.

Isso inclui MCUs, chips de memória, portas lógicas e assim por diante. Embora esses ICs digitais possam ter histerese em suas entradas, muitos deles também têm limitações para seus tempos de aumento e queda de entrada exibidos em suas folhas de especificações, e isso deve ser levado em consideração. Um gatilho Schmitt ideal não tem nenhuma limitação de tempo de subida ou descida em sua entrada.

Formas de onda de entrada lenta, às vezes, a lacuna de histerese é muito pequena ou há apenas um valor de limite (um dispositivo de acionamento não Schmitt) onde a saída aumenta se a entrada subir acima do limite e a saída diminui se o sinal de entrada cai abaixo isto.

Em casos como esses, há uma área marginal em torno do limite, e um sinal de entrada lento pode facilmente causar oscilações ou excesso de corrente para fluir através do circuito, o que pode até danificar o dispositivo. Esses sinais de entrada lentos às vezes podem acontecer até mesmo no modo digital rápido circuitos sob condições de energização ou outras condições onde um filtro (como uma rede RC) é usado para alimentar sinais para as entradas.

Problemas desse tipo geralmente ocorrem dentro do circuito de “de-bounce” de interruptores manuais, cabos longos ou fiação e circuitos com carga pesada.

Por exemplo, se um sinal de rampa lenta (integrador) for aplicado a um buffer e cruzar o único ponto limite na entrada, a saída mudará seu estado (de baixo para alto, por exemplo). Esta ação de acionamento pode fazer com que uma corrente extra seja drenada da fonte de alimentação momentaneamente e também diminuir ligeiramente o nível de energia do VCC.

Essa mudança pode ser suficiente para fazer com que a saída mude seu estado novamente de alto para baixo, já que o buffer detecta que a entrada cruzou o limite novamente (apesar de a entrada permanecer a mesma). Isso poderia se repetir novamente na direção oposta, de modo que uma série de pulsos oscilantes apareceriam na saída.

Usar um gatilho Schmitt neste caso não apenas eliminará as oscilações, mas também traduzirá as transições de borda lentas em uma série limpa de pulsos ON-OFF com transições de borda quase verticais. A saída de um gatilho Schmitt pode então ser usada como uma entrada para o seguinte dispositivo de acordo com suas especificações de tempo de subida e descida.

(Embora as oscilações possam ser eliminadas usando um gatilho Schmitt, ainda pode haver fluxo de corrente em excesso em uma transição, que pode precisar ser corrigido de outra forma.)

O gatilho Schmitt também é encontrado em casos onde uma entrada analógica, como uma forma de onda senoidal, forma de onda de áudio ou forma de onda dente de serra, precisa ser convertida em uma onda quadrada ou algum outro tipo de sinal digital ON-OFF com transições de borda rápidas.