슈미트 트리거

슈미트 트리거(Schmitt trigger)는 일렉트로닉스에서 비교기 회로로, 비교기 또는 차동 증폭기의 비반전 입력에 양성 되먹임을 적용하여 이력 현상을 구현한다. 이것은 수동소자 회로로, 아날로그 신호 입력 신호를 디지털 신호 출력 신호로 변환한다. 이 회로를 트리거라고 부르는 이유는 입력이 변화를 유발할 만큼 충분히 변할 때까지 출력이 그 값을 유지하기 때문이다. 비반전 구성에서 입력이 선택된 임계값보다 높으면 출력이 높다. 입력이 다른 (낮은) 선택된 임계값보다 낮으면 출력이 낮고, 입력이 두 레벨 사이에 있을 때 출력이 그 값을 유지한다. 이 이중 임계값 동작을 이력 현상이라고 하며, 슈미트 트리거가 기억을 가지고 있고 쌍안정 멀티바이브레이터(래치 또는 플립플롭)로 작동할 수 있음을 의미한다. 두 종류의 회로 사이에는 밀접한 관계가 있다. 슈미트 트리거는 래치로 변환될 수 있고 래치는 슈미트 트리거로 변환될 수 있다.

슈미트 트리거의 전달 함수. 가로축과 세로축은 각각 입력 전압과 출력 전압이다. T와 -T는 스위칭 임계값이며, M과 -M은 출력 전압 레벨이다.

슈미트 트리거 장치는 일반적으로 신호 조절 응용 분야에서 디지털 회로에 사용되는 신호에서 잡음을 제거하는 데 사용되며, 특히 개폐기의 기계적 접점 바운스에 사용된다. 또한 함수 발생기 및 스위치 모드 파워 서플라이에 사용되는 이완 발진기를 구현하기 위해 폐쇄 루프 음성 되먹임 구성으로 사용된다.

잡음이 있는 아날로그 입력 신호 (U)에 대한 일반 비교기 (A)와 슈미트 트리거 (B)의 동작 비교. 녹색 점선은 회로의 스위칭 임계값이다. 슈미트 트리거는 신호에서 잡음을 제거하는 경향이 있다.

신호 이론에서 슈미트 트리거는 본질적으로 1비트 양자화기이다.

역사

슈미트 트리거는 미국 과학자 오토 슈미트가 1934년 대학원생 시절에 발명했으며,^[1] 이후 그의 박사 학위 논문 (1937)에서 열전자 트리거로 설명되었다.^[2] 이는 슈미트의 살오징어목 신경에서의 신경 임펄스 전파 연구의 직접적인 결과였다.^[2]

구현

기본 개념

슈미트 트리거 회로의 블록 다이어그램. 이것은 양성 되먹임 시스템으로, 입력에 다시 공급되는 출력 신호가 입력이 임계값을 넘을 때 증폭기 A를 한 포화 상태에서 다른 상태로 빠르게 전환시킨다. :A > 1은 증폭기 이득 :B < 1은 피드백 전달 함수

이력 현상이 있는 회로는 양성 되먹임을 기반으로 한다. 모든 능동 회로는 루프 이득이 1보다 크도록 양성 되먹임을 적용함으로써 슈미트 트리거처럼 작동할 수 있다. 양성 되먹임은 출력 전압의 일부를 입력 전압에 더함으로써 도입된다. 이러한 회로는 비교기로 작동하는 증폭기 외에 감쇠기 (오른쪽 그림의 B 상자)와 아날로그 가산기 ("+"가 있는 원)를 포함한다. 이 일반적인 아이디어를 구현하는 세 가지 특정 기술이 있다. 그 중 처음 두 가지는 일반적인 양성 되먹임 시스템의 이중 버전 (직렬 및 병렬)이다. 이 구성에서 출력 전압은 "임계값을 감소시키거나" "회로 입력 전압을 증가시킴으로써" 비교기의 유효 차동 입력 전압을 증가시킨다. 임계값 및 메모리 속성은 하나의 요소에 통합된다. 세 번째 기술에서는 임계값과 메모리 속성이 분리된다.

동적 임계값 (직렬 피드백): 입력 전압이 어느 방향으로든 임계값을 넘을 때, 회로 자체는 자신의 임계값을 반대 방향으로 변경한다. 이를 위해 출력 전압의 일부를 임계값에서 뺀다 (이는 입력 전압에 전압을 더하는 것과 같다). 따라서 출력은 임계값에 영향을 미치고 입력 전압에는 영향을 미치지 않는다. 이러한 회로는 입력이 반전 입력에 연결되고 반전 출력이 비반전 입력에 연결되는 "직렬 양성 되먹임"을 가진 차동 증폭기로 구현된다. 이 배열에서 감쇠와 합성은 분리된다. 전압 나누개는 감쇠기로 작동하고 루프는 간단한 직렬 전압 가산기로 작동한다. 예로는 고전적인 트랜지스터 이미터 결합 슈미트 트리거, 연산 증폭기 반전 슈미트 트리거 등이 있다.

수정된 입력 전압 (병렬 피드백): 입력 전압이 어느 방향으로든 임계값을 넘을 때 회로는 입력 전압을 같은 방향으로 변경한다 (이제 출력 전압의 일부를 입력 전압에 직접 더한다). 따라서 출력은 입력 전압을 증대시키고 임계값에는 영향을 미치지 않는다. 이러한 회로는 입력 및 출력 소스가 저항기를 통해 입력에 연결되는 "병렬 양성 되먹임"을 가진 단일 종단 비반전 증폭기로 구현할 수 있다. 두 저항기는 감쇠와 합성을 모두 포함하는 가중 병렬 가산기를 형성한다. 예로는 덜 익숙한 컬렉터-베이스 결합 슈미트 트리거, 연산 증폭기 비반전 슈미트 트리거 등이 있다.

부저항을 나타내는 일부 회로 및 요소도 유사하게 작동할 수 있다: 부 임피던스 변환기 (NIC), 네온 램프, 터널 다이오드 (예: 첫 번째 사분면에서 N자형 전류-전압 특성을 가진 다이오드) 등. 마지막 경우, 진동하는 입력은 다이오드가 "N"의 한 상승 구간에서 다른 구간으로 이동하고 입력이 상승 및 하강 스위칭 임계값을 넘을 때 다시 돌아오게 한다.

두 개의 다른 단방향 임계값은 이 경우 두 개의 별도 개루프 비교기 (이력 현상 없음)에 할당되어 쌍안정 멀티바이브레이터 (래치) 또는 플립플롭을 구동한다. 트리거는 입력 전압이 높은 임계값을 하향에서 상향으로 넘을 때 높음으로 토글되고, 입력 전압이 낮은 임계값을 상향에서 하향으로 넘을 때 낮음으로 토글된다. 다시 말하지만, 양성 되먹임이 있지만 이제는 메모리 셀에만 집중되어 있다. 예로는 555 타이머와 스위치 디바운싱 회로가 있다.^[3]

비반전 이력 현상 곡선이 버퍼에 내장된 슈미트 트리거 기호. 슈미트 트리거는 반전 이력 현상 곡선으로도 표시될 수 있으며 버블이 뒤따를 수 있다. 사용되는 특정 슈미트 트리거의 문서를 참조하여 장치가 비반전 (즉, 양의 출력 전환이 양방향 입력에 의해 발생) 또는 반전 (즉, 양의 출력 전환이 음방향 입력에 의해 발생)인지 확인해야 한다.

회로도에서 슈미트 트리거의 기호는 내부에 이상적인 이력 곡선을 나타내는 기호가 있는 삼각형이다.

트랜지스터 슈미트 트리거

고전적인 이미터-결합 회로

두 개의 이미터 결합 BJT 단계로 구현된 슈미트 트리거

원래 슈미트 트리거는 스위치 가능한 상위 레그 (컬렉터 저항 ${\displaystyle R_{C1}}$ 및 ${\displaystyle R_{C2}}$)와 고정된 하위 레그 (${\displaystyle R_{E}}$)를 가진 전압 나누개로 구현된 동적 임계값 아이디어를 기반으로 한다. Q1은 반전 (Q1 베이스) 및 비반전 (Q1 이미터) 입력을 포함하는 차동 입력 (Q1 베이스-이미터 접합)을 가진 비교기로 작동한다. 입력 전압은 반전 입력에 적용된다. 전압 분배기의 출력 전압은 비반전 입력에 적용되어 그 임계값을 결정한다. 비교기 출력은 전압 분배기 ${\displaystyle R_{1}-R_{2}}$를 통해 두 번째 공통 컬렉터 단계 Q2 (이미터 팔로워)를 구동한다. 이미터 결합 트랜지스터 Q1 및 Q2는 실제로 전압 분배기의 상위 레그를 전환하고 다른 (입력 전압에 대한) 방향으로 임계값을 변경하는 전자 이중 스위치를 구성한다.

이 구성은 비반전 입력 (Q2 베이스)과 출력 (Q1 컬렉터) 사이에 직렬 양성 되먹임을 가진 차동 증폭기로 간주될 수 있으며, 이는 전환 프로세스를 강제한다. 이미터 저항 ${\displaystyle R_{E}}$에 의해 도입되는 더 작은 음성 되먹임도 있다. 양성 되먹임이 음성 되먹임보다 지배적이고 이력 현상을 얻으려면 두 컬렉터 저항 사이의 비율이 ${\displaystyle R_{C1}>R_{C2}}$가 되도록 선택된다. 따라서 Q1이 켜질 때 Q2가 켜질 때보다 ${\displaystyle R_{E}}$를 통해 흐르는 전류가 적고 전압 강하도 적다. 결과적으로 회로는 접지에 대해 두 개의 다른 임계값 (${\displaystyle V_{-}}$ 그림에서)을 가진다.

동작

초기 상태. 오른쪽에 보이는 NPN 트랜지스터의 경우, 입력 전압이 공유 이미터 전압 (구체적으로 높은 임계값)보다 낮아 Q1 베이스-이미터 접합이 역 바이어스되고 Q1이 도통하지 않는다고 가정해 보자. Q2 베이스 전압은 위에 설명된 분배기에 의해 결정되어 Q2가 도통하고 트리거 출력이 낮은 상태에 있다. 두 저항 ${\displaystyle R_{C2}}$와 ${\displaystyle R_{E}}$는 높은 임계값을 결정하는 또 다른 전압 분배기를 형성한다. ${\displaystyle V_{BE}}$를 무시하면 높은 임계값은 대략 다음과 같다:

${\displaystyle V_{\mathrm {HT} }={\frac {R_{\mathrm {E} }}{R_{\mathrm {E} }+R_{\mathrm {C2} }}}{V_{+}}}$.

출력 전압은 낮지만 접지보다 훨씬 높다. 이는 높은 임계값과 거의 같으며 후속 디지털 회로의 논리적 0에 충분히 낮지 않을 수 있다. 이 경우 트리거 회로 뒤에 추가적인 레벨 이동 회로가 필요할 수 있다.

높은 임계값을 상향으로 넘기. 입력 전압 (Q1 베이스 전압)이 이미터 저항 ${\displaystyle R_{E}}$ (높은 임계값)에 걸리는 전압보다 약간 높게 상승하면 Q1이 도통하기 시작한다. 컬렉터 전압은 낮아지고 Q2는 차단 상태로 이동하기 시작한다. 왜냐하면 전압 분배기가 이제 더 낮은 Q2 베이스 전압을 제공하기 때문이다. 공통 이미터 전압은 이 변화를 따라 낮아지며 Q1이 더 많이 도통하게 한다. 전류는 회로의 오른쪽 다리에서 왼쪽 다리로 흐르기 시작한다. Q1이 더 많이 도통하지만 ${\displaystyle R_{E}}$를 통해 흐르는 전류는 더 적다 (${\displaystyle R_{C1}>R_{C2}}$이므로). 이미터 전압은 계속 떨어지고 유효 Q1 베이스-이미터 전압은 계속 증가한다. 이 눈사태와 같은 과정은 Q1이 완전히 켜지고 (포화) Q2가 꺼질 때까지 계속된다. 트리거는 높은 상태로 전환되고 출력 (Q2의 컬렉터) 전압은 ${\displaystyle V_{+}}$에 가깝다. 이제 두 저항 ${\displaystyle R_{C1}}$와 ${\displaystyle R_{E}}$는 낮은 임계값을 결정하는 전압 분배기를 형성한다. 그 값은 대략 다음과 같다:

${\displaystyle V_{\mathrm {LT} }={\frac {R_{\mathrm {E} }}{R_{\mathrm {E} }+R_{\mathrm {C1} }}}{V_{+}}}$.

낮은 임계값을 하향으로 넘기. 이제 트리거가 높은 상태에 있을 때, 입력 전압이 충분히 낮아지면 (낮은 임계값보다 낮아지면) Q1은 차단되기 시작한다. 컬렉터 전류가 감소한다. 결과적으로 공유 이미터 전압이 약간 떨어지고 Q1 컬렉터 전압이 크게 상승한다. ${\displaystyle R_{1}-R_{2}}$ 전압 분배기는 이 변화를 Q2 베이스 전압으로 전달하고 Q2는 도통하기 시작한다. ${\displaystyle R_{E}}$에 걸리는 전압이 상승하여 동일한 눈사태와 같은 방식으로 Q1 베이스-이미터 전위가 더욱 감소하고 Q1은 도통을 멈춘다. Q2는 완전히 켜지고 (포화) 출력 전압은 다시 낮아진다.

변형

버퍼 내부에 반전된 이력 현상 곡선을 표시하여 반전 슈미트 트리거를 나타내는 기호. 다른 기호는 버퍼에 내장된 이력 현상 곡선 (반전 또는 비반전일 수 있음) 뒤에 버블이 있는 것을 보여주는데, 이는 디지털 인버터의 전통적인 기호와 유사하며 버퍼 뒤에 버블이 표시된다. 일반적으로 슈미트 트리거의 방향 (반전 또는 비반전)은 여러 규칙이 사용되기 때문에 (동일한 제조업체에서도) 기호에서 반드시 명확하지는 않다. 이러한 모호성에 기여하는 몇 가지 요인이 있다.^[a] 이러한 상황은 각 특정 슈미트 트리거에 대한 문서를 더 자세히 조사해야 할 수도 있다.

비반전 회로. 고전적인 비반전 슈미트 트리거는 Q2 컬렉터 대신 이미터에서 ${\displaystyle V_{out}}$을 취함으로써 반전 트리거로 변환될 수 있다. 이 구성에서 출력 전압은 동적 임계값 (공유 이미터 전압)과 같으며 두 출력 레벨 모두 전원 레일에서 멀리 떨어져 있다. 또 다른 단점은 부하가 임계값을 변경하므로 충분히 높아야 한다는 것이다. 베이스 저항 ${\displaystyle R_{B}}$는 Q1 베이스-이미터 접합을 통해 입력 전압이 이미터 전압에 미치는 영향을 방지하기 위해 필수적이다.

직접 결합 회로. 회로를 단순화하기 위해 ${\displaystyle R_{1}-R_{2}}$ 전압 분배기를 생략하고 Q1 컬렉터를 Q2 베이스에 직접 연결할 수 있다. 베이스 저항 ${\displaystyle R_{B}}$도 생략하여 입력 전압원이 Q1의 베이스를 직접 구동할 수 있다.^[4] 이 경우, 공통 이미터 전압과 Q1 컬렉터 전압은 출력에 적합하지 않다. 입력 전압이 높은 임계값을 초과하고 Q1이 포화될 때, 베이스-이미터 접합이 순방향 바이어스되어 입력 전압 변화를 이미터로 직접 전달하므로 Q2 컬렉터만 출력으로 사용해야 한다. 결과적으로 공통 이미터 전압과 Q1 컬렉터 전압은 입력 전압을 따른다. 이 상황은 과도 구동 트랜지스터 차동 증폭기 및 ECL 게이트에 일반적이다.

컬렉터-베이스 결합 회로

BJT 쌍안정 컬렉터-베이스 결합 회로는 추가 베이스 저항을 한 베이스에 연결하여 슈미트 트리거로 변환할 수 있다.

모든 래치와 마찬가지로 기본 컬렉터-베이스 결합 쌍안정 회로는 이력 현상을 가지고 작동한다. 추가 베이스 저항 R을 한 입력 (그림의 Q1 베이스)에 연결하여 슈미트 트리거로 변환할 수 있다. 두 저항 ${\displaystyle R}$과 ${\displaystyle R_{4}}$는 병렬 전압 가산기 (위의 블록 다이어그램 참조의 원)를 형성하여 출력 (Q2 컬렉터) 전압과 입력 전압을 합산하고 단일 종단 트랜지스터 "비교기" Q1을 구동한다. 베이스 전압이 어느 방향으로든 임계값 (${\displaystyle V_{BE0}}$ ∞ 0.65 V)을 넘을 때, Q2 컬렉터 전압의 일부가 같은 방향으로 입력 전압에 추가된다. 따라서 출력은 병렬 양성 되먹임을 통해 입력 전압을 수정하고 임계값 (베이스-이미터 전압)에는 영향을 미치지 않는다.

이미터-결합 및 컬렉터-결합 회로 비교

이미터-결합 버전은 입력 전압이 높은 임계값보다 훨씬 낮을 때 입력 트랜지스터가 역 바이어스되어 트랜지스터가 확실히 차단된다는 장점이 있다. 이는 게르마늄 트랜지스터가 회로를 구현하는 데 사용될 때 중요했으며, 이 구성은 계속해서 인기를 유지하고 있다. 입력 베이스 저항은 이미터 저항이 입력 베이스-이미터 접합이 순방향 바이어스될 때 전류를 제한하므로 생략할 수 있다.

이미터-결합 슈미트 트리거의 논리적 0 출력 레벨은 충분히 낮지 않을 수 있으며 추가적인 출력 레벨 이동 회로가 필요할 수 있다. 컬렉터-결합 슈미트 트리거는 논리적 0에서 극도로 낮은 (거의 0) 출력을 가진다.

연산 증폭기 구현

슈미트 트리거는 일반적으로 연산 증폭기 또는 전용 비교기를 사용하여 구현된다.^[b] 개루프 연산 증폭기 및 비교기는 두 입력 간의 전압 차이의 부호함수를 추출하는 아날로그 입력과 디지털 출력을 갖는 아날로그-디지털 장치로 간주될 수 있다.^[c] 양성 되먹임은 출력 전압의 일부를 입력 전압에 직렬 또는 병렬 방식으로 더하여 적용된다. 극도로 높은 연산 증폭기 이득으로 인해 루프 이득도 충분히 높고 눈사태와 같은 과정을 제공한다.

비반전 슈미트 트리거

비반전 비교기로 구현된 슈미트 트리거

이 회로에서 두 저항기 ${\displaystyle R_{1}}$과 ${\displaystyle R_{2}}$는 병렬 전압 가산기를 형성한다. 이것은 출력 전압의 일부를 입력 전압에 더하여, 결과 전압이 접지 근처에 있을 때 발생하는 스위칭 동안 및 후에 전압을 증폭시킨다. 이 병렬 양성 되먹임은 ${\displaystyle R_{1}}$과 ${\displaystyle R_{2}}$의 저항 비율에 의해 제어되는 필요한 이력 현상을 생성한다. 병렬 전압 가산기의 출력은 단일 종단형이므로 (접지에 대한 전압을 생성함) 회로는 차동 입력을 가진 증폭기를 필요로 하지 않는다. 기존 연산 증폭기는 차동 입력을 가지므로 반전 입력은 접지되어 기준점을 0볼트로 만든다.

출력 전압은 항상 연산 증폭기 입력 전압과 같은 부호를 가지지만 회로 입력 전압과 항상 같은 부호를 가지는 것은 아니다 (두 입력 전압의 부호가 다를 수 있다). 회로 입력 전압이 높은 임계값보다 높거나 낮은 임계값보다 낮을 때, 출력 전압은 회로 입력 전압과 같은 부호를 가진다 (회로는 비반전이다). 이는 비교기 출력이 높거나 낮는지에 따라 다른 지점에서 스위칭하는 비교기처럼 작동한다. 회로 입력 전압이 임계값 사이에 있을 때, 출력 전압은 정의되지 않으며 마지막 상태에 따라 달라진다 (회로는 기본적인 래치처럼 작동한다).

예를 들어, 슈미트 트리거가 현재 높은 상태에 있다면, 출력은 양의 전원 레일 (${\displaystyle +V_{S}}$)에 있을 것이다. 저항성 가산기의 출력 전압 ${\displaystyle V_{+}}$는 중첩의 원리를 적용하여 찾을 수 있다:

${\displaystyle V_{+}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\text{in}}+{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\text{s}}.}$

비교기는 ${\displaystyle V_{+}=0}$일 때 스위칭한다. 그러면 ${\displaystyle R_{2}\cdot V_{\text{in}}=-R_{1}\cdot V_{\text{s}}}$ (동일한 결과는 전류 보존 원리를 적용하여 얻을 수 있다). 따라서 출력이 스위칭되려면 ${\displaystyle V_{\text{in}}}$이 ${\displaystyle -{\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{s}}$ 아래로 떨어져야 한다. 비교기 출력이 ${\displaystyle -V_{S}}$로 스위칭되면, 높은 상태로 다시 스위칭하기 위한 임계값은 ${\displaystyle +{\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{s}}$가 된다. 따라서 이 회로는 ${\displaystyle \pm {\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{s}}$의 트리거 레벨을 가지며 0을 중심으로 하는 스위칭 밴드를 생성한다 (반전 입력에 바이어스 전압을 적용하여 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동할 수 있다). 출력이 켜지고 (플러스) 다시 꺼지기 (마이너스) 위해서는 입력 전압이 밴드의 상단을 넘어야 하고, 그 다음 밴드의 하단 아래로 떨어져야 한다. ${\displaystyle R_{1}}$이 0이거나 ${\displaystyle R_{2}}$가 무한대 (즉, 개방 회로)이면 밴드는 너비가 0으로 축소되고, 표준 비교기처럼 작동한다. 전달 특성은 왼쪽 그림에 나와 있다. 임계값 T의 값은 ${\displaystyle {\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{s},}$로 주어지며, 출력 M의 최대값은 전원 레일이다.

정확한 임계값을 가진 실용적인 슈미트 트리거 구성

병렬 양성 되먹임 회로의 독특한 특성은 입력 소스에 미치는 영향이다. 음성 병렬 되먹임 회로 (예: 반전 증폭기)에서 반전 입력의 가상 접지는 입력 소스를 연산 증폭기 출력에서 분리한다. 여기에는 가상 접지가 없으며, 안정적인 연산 증폭기 출력 전압은 ${\displaystyle R_{1}-R_{2}}$ 네트워크를 통해 입력 소스에 적용된다. 연산 증폭기 출력은 입력 소스를 통해 반대 전류를 흘려보낸다 (입력 전압이 양수일 때 소스로 전류를 주입하고 음수일 때 소스에서 전류를 끌어당긴다).

정확한 임계값을 가진 실용적인 슈미트 트리거는 오른쪽 그림에 나와 있다. 전달 특성은 이전 기본 구성과 정확히 동일한 모양을 가지며, 임계값도 동일하다. 반면에 이전 경우에는 출력 전압이 전원 공급 장치에 의존했지만, 이제는 제너 다이오드에 의해 정의된다 (하나의 이중 애노드 제너 다이오드로 대체될 수도 있다). 이 구성에서 출력 레벨은 적절한 제너 다이오드 선택으로 수정할 수 있으며, 이러한 레벨은 전원 공급 장치 변동에 강하다 (즉, 비교기의 PSRR을 증가시킨다). 저항 ${\displaystyle R_{3}}$은 다이오드를 통한 전류를 제한하기 위해 존재하며, 저항 ${\displaystyle R_{4}}$는 비교기 입력 누설 전류로 인한 입력 전압 오프셋을 최소화한다 (실제 연산 증폭기의 한계 참조).

반전 슈미트 트리거

반전 비교기로 구현된 슈미트 트리거

반전 버전에서는 감쇠와 합성이 분리되어 있다. 두 저항 ${\displaystyle R_{1}}$과 ${\displaystyle R_{2}}$는 '순수한' 감쇠기 (전압 분배기)로만 작동한다. 입력 루프는 직렬 전압 가산기로 작동하여 출력 전압의 일부를 회로 입력 전압에 직렬로 더한다. 이 직렬 양성 되먹임은 ${\displaystyle R_{1}}$과 전체 저항 (${\displaystyle R_{1}}$과 ${\displaystyle R_{2}}$)의 저항 비율에 의해 제어되는 필요한 이력 현상을 생성한다. 연산 증폭기 입력에 적용되는 유효 전압은 부동이므로 연산 증폭기는 차동 입력을 가져야 한다.

이 회로는 이력 현상 주기 외부에 있을 때 (입력 전압이 높은 임계값보다 높거나 낮은 임계값보다 낮을 때) 출력 전압이 항상 입력 전압과 반대 부호를 가지므로 반전이라고 불린다. 그러나 입력 전압이 이력 현상 주기 내에 있을 때 (높은 임계값과 낮은 임계값 사이), 회로는 반전일 수도 있고 비반전일 수도 있다. 출력 전압은 정의되지 않으며 마지막 상태에 따라 달라지므로 회로는 기본적인 래치처럼 작동한다.

두 버전을 비교하기 위해 회로 동작을 위와 동일한 조건에서 고려할 것이다. 슈미트 트리거가 현재 높은 상태에 있다면, 출력은 양의 전원 레일 (${\displaystyle +V_{S}}$)에 있을 것이다. 전압 분배기의 출력 전압 ${\displaystyle V_{+}}$는 다음과 같다:

${\displaystyle V_{+}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\text{s}}.}$

비교기는 ${\displaystyle V_{in}=V_{+}}$일 때 스위칭한다. 따라서 출력이 스위칭되려면 ${\displaystyle V_{in}}$이 이 전압을 초과해야 한다. 비교기 출력이 ${\displaystyle -V_{S}}$로 스위칭되면, 높은 상태로 다시 스위칭하기 위한 임계값은 ${\displaystyle -{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}V_{s}}$가 된다. 따라서 이 회로는 ${\displaystyle \pm {\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}V_{S}}$의 트리거 레벨을 가지며 0을 중심으로 하는 스위칭 밴드를 생성한다 (바이어스 전압에 ${\displaystyle R_{1}}$을 연결하여 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동할 수 있다). 출력이 꺼지고 (마이너스) 다시 켜지기 (플러스) 위해서는 입력 전압이 밴드의 상단을 넘어야 하고, 그 다음 밴드의 하단 아래로 떨어져야 한다. ${\displaystyle R_{1}}$이 0 (즉, 합선)이거나 ${\displaystyle R_{2}}$가 무한대이면 밴드는 너비가 0으로 축소되고, 표준 비교기처럼 작동한다.

병렬 버전과는 대조적으로, 이 회로는 입력 소스에 영향을 미치지 않는다. 왜냐하면 소스가 높은 연산 증폭기 입력 차동 임피던스에 의해 전압 분배기 출력과 분리되어 있기 때문이다.

반전 증폭기에서 저항(${\displaystyle R_{1}}$)에 걸리는 전압 강하는 입력 신호와의 비교를 위한 기준 전압, 즉 상위 임계 전압(${\displaystyle V_{+}}$)과 하위 임계 전압(${\displaystyle V_{-}}$)을 결정한다. 출력 전압과 저항 값이 고정되어 있으므로 이 전압들도 고정된다.

(${\displaystyle R_{1}}$)에 걸리는 강하를 변경하여 임계 전압을 다양하게 조절할 수 있다. 저항(${\displaystyle R_{1}}$)에 직렬로 바이어스 전압(${\displaystyle V_{b}}$)을 추가하여 강하를 변경할 수 있으며, 이는 임계 전압을 변경할 수 있다. 바이어스 전압을 다양하게 조절하여 원하는 기준 전압 값을 얻을 수 있다. 위 방정식은 다음과 같이 수정될 수 있다:

${\displaystyle V_{\pm }=\pm V_{\text{s}}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}+V_{\text{b}}{\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}.}$

응용

슈미트 트리거는 일반적으로 잡음 내성을 위한 개루프 구성과 폐쇄 루프 구성에서 함수 발생기를 구현하는 데 사용된다.

• 아날로그-디지털 변환: 슈미트 트리거는 효과적으로 디지털 변환기의 1비트 아날로그이다. 신호가 특정 레벨에 도달하면 낮은 상태에서 높은 상태로 전환된다.
• 레벨 감지: 슈미트 트리거 회로는 레벨 감지를 제공할 수 있다. 이 응용 프로그램을 수행할 때는 회로가 필요한 전압에서 스위칭되도록 이력 전압을 고려해야 한다.
• 라인 수신: 잡음이 유입될 수 있는 데이터 라인을 논리 게이트로 연결할 때, 논리 출력이 데이터가 변경될 때만 변경되고 유입될 수 있는 스퓨리어스 잡음의 결과로는 변경되지 않도록 하는 것이 필요하다. 슈미트 트리거를 사용하면 스퓨리어스 트리거링이 발생하기 전에 피크-피크 잡음이 이력 현상 수준에 도달할 수 있다.

잡음 내성

슈미트 트리거의 한 가지 응용은 단일 입력 임계값만 있는 회로의 잡음 내성을 높이는 것이다. 단일 입력 임계값만으로는 임계값 근처의 잡음이 있는 입력 신호{[efn-lr|여기서 잡음 진폭은 슈미트 트리거 임계값의 변화에 비해 작다고 가정한다.}}가 잡음만으로도 출력이 앞뒤로 빠르게 전환되도록 할 수 있다. 슈미트 트리거 입력에서 한 임계값 근처의 잡음이 있는 신호는 출력 값에서 한 번의 스위치만 유발할 수 있으며, 그 후에는 다른 스위치를 유발하려면 다른 임계값을 넘어서야 한다.

예를 들어, 증폭된 적외선 광다이오드는 절대 최저값과 절대 최고값 사이에서 자주 전환되는 전기 신호를 생성할 수 있다. 이 신호는 로우패스 필터링되어 스위칭 신호의 켜짐 및 꺼짐의 상대적 시간에 해당하는 부드러운 신호를 형성한다. 필터링된 출력은 슈미트 트리거의 입력으로 전달된다. 순 효과는 슈미트 트리거의 출력이 수신된 적외선 신호가 특정 알려진 기간보다 길게 광다이오드를 여기시킨 후에만 낮음에서 높음으로 전환되고, 슈미트 트리거가 높아지면 적외선 신호가 유사한 알려진 기간보다 길게 광다이오드를 여기시키지 않은 후에만 낮아진다는 것이다. 광다이오드는 환경의 잡음으로 인한 스퓨리어스 스위칭에 취약하지만, 필터와 슈미트 트리거에 의해 추가된 지연은 장치를 자극하는 입력이 확실히 있을 때만 출력이 스위칭되도록 보장한다.

슈미트 트리거는 유사한 이유로 많은 스위칭 회로에서 흔히 사용된다 (예: 스위치 디바운싱용).

입력 슈미트 트리거를 포함하는 IC 목록

필립스 74HCT14D, 헥스 반전 슈미트 트리거

다음 7400 시리즈 장치에는 입력에 슈미트 트리거가 포함되어 있다 (7400 시리즈 집적 회로 목록 참조):

• 7413: 듀얼 슈미트 트리거 4입력 NAND 게이트
• 7414: 헥스 슈미트 트리거 인버터
• 7418: 듀얼 슈미트 트리거 4입력 NAND 게이트
• 7419: 헥스 슈미트 트리거 인버터
• 74121: 슈미트 트리거 입력이 있는 단안정 멀티바이브레이터
• 74132: 쿼드 2입력 NAND 슈미트 트리거
• 74221: 슈미트 트리거 입력이 있는 듀얼 단안정 멀티바이브레이터
• 74232: 쿼드 NOR 슈미트 트리거
• 74310: 슈미트 트리거 입력이 있는 옥탈 버퍼
• 74340: 슈미트 트리거 입력 및 3상 반전 출력이 있는 옥탈 버퍼
• 74341: 슈미트 트리거 입력 및 3상 비반전 출력이 있는 옥탈 버퍼
• 74344: 슈미트 트리거 입력 및 3상 비반전 출력이 있는 옥탈 버퍼
• 74(HC/HCT)7541 슈미트 트리거 입력 및 3상 비반전 출력이 있는 옥탈 버퍼
• SN74LV8151은 3상 출력을 가진 10비트 범용 슈미트 트리거 버퍼이다.

많은 4000 시리즈 장치에는 입력에 슈미트 트리거가 포함되어 있다 (4000 시리즈 집적 회로 목록 참조):

• 4017: 디코딩 출력이 있는 10진 카운터
• 4020: 14단 바이너리 리플 카운터
• 4022: 디코딩 출력이 있는 옥탈 카운터
• 4024: 7단 바이너리 리플 카운터
• 4040: 12단 바이너리 리플 카운터
• 4093: 쿼드 2입력 NAND
• 4538: 듀얼 단안정 멀티바이브레이터
• 4584: 헥스 반전 슈미트 트리거
• 40106: 헥스 인버터

슈미트 입력 구성 가능한 단일 게이트 칩 (7400 시리즈 집적 회로 목록#더 작은 풋프린트 참조):

• NC7SZ57 페어차일드
• NC7SZ58 페어차일드
• SN74LVC1G57 텍사스 인스트루먼트
• SN74LVC1G58 텍사스 인스트루먼트

발진기로서의 사용

비교기 기반 이완 발진기의 출력 및 축전기 파형

 이 부분의 본문은 이완 발진기입니다.

슈미트 트리거는 쌍안정 멀티바이브레이터이며, 다른 유형의 멀티바이브레이터 – 이완 발진기를 구현하는 데 사용될 수 있다. 이는 단일 RC 적분 회로를 반전 슈미트 트리거의 출력과 입력 사이에 연결하여 달성된다. 출력은 R과 C의 값, 그리고 슈미트 트리거의 임계점 값에 따라 진동수가 달라지는 연속적인 방형파가 될 것이다. 여러 슈미트 트리거 회로는 단일 집적 회로 (예: 4000 시리즈 CMOS 장치 유형 40106은 6개의 회로를 포함한다)에 의해 제공될 수 있으므로, IC의 예비 섹션은 단 두 개의 외부 부품만으로 간단하고 신뢰할 수 있는 발진기로 빠르게 활용될 수 있다.

슈미트 트리거 기반 이완 발진기 구현

여기서 비교기 기반 슈미트 트리거는 반전 구성으로 사용된다. 또한, 통합 RC 네트워크를 사용하여 느린 음성 되먹임이 추가된다. 결과적으로 축전기가 한 슈미트 트리거 임계값에서 다른 임계값으로 충전됨에 따라 출력이 ${\displaystyle V_{SS}}$에서 ${\displaystyle V_{DD}}$로 자동으로 진동한다.

같이 보기

• 연산 증폭기 응용
• 히스테리시스를 가진 임계값 감지기
• 4000 시리즈 집적 회로 목록, 슈미트 트리거 입력이 있는 논리 칩 포함
• 7400 시리즈 집적 회로 목록, 슈미트 트리거 입력이 있는 논리 칩 포함

내용주

1. 모호성에 기여하는 한 가지 요인은 슈미트 트리거의 간단한 트랜지스터 기반 구현 중 하나가 자연적으로 반전된다는 것이다. 비반전 슈미트 트리거는 때때로 이러한 반전 구현 뒤에 인버터가 오는 것으로 구성된다. 단독 반전 구성의 버퍼링을 위해 추가 인버터가 추가될 수 있다. 결과적으로 집적 회로 내의 반전 구성은 자연적으로 반전될 수 있지만, 비반전 구성은 단일 인버터로 구현되며, 단독 반전 구성은 두 개의 인버터로 구현될 수 있다. 결과적으로 반전 버블과 이력 현상 곡선을 결합한 기호는 전체 장치 또는 내장된 슈미트 트리거만을 설명하기 위해 이력 현상 곡선을 사용할 수 있다.
2. 일반적으로 연산 증폭기 회로에는 음성 되먹임이 사용된다. 일부 연산 증폭기는 반전 및 비반전 입력 간의 차이를 무시할 수 있도록 하는 음성 되먹임 구성에서만 사용되도록 설계되었다. 이들은 반전 및 비반전 입력이 서로 멀리 떨어져 작동하는 것을 방지하는 입력 보호 회로를 통합한다. 예를 들어, 두 개의 일반적인 목적의 다이오드가 반대 바이어스로 병렬로 구성된 클리퍼 회로^[5] 또는 두 개의 제너 다이오드가 반대 바이어스로 직렬로 구성된 (즉, 이중 애노드 제너 다이오드) 회로가 때때로 연산 증폭기의 두 입력 사이에 내부적으로 사용된다. 이러한 경우 연산 증폭기는 비교기로서 제대로 작동하지 못한다. 반대로 비교기는 입력 전압이 상당히 다를 수 있다는 가정하에 설계된다.
3. 비반전 (+) 입력이 반전 (−) 입력보다 높은 전압일 때, 비교기 출력은 거의 ${\displaystyle +V_{S}}$ (높은 공급 전압)로 전환된다. 비반전 (+) 입력이 반전 (−) 입력보다 낮은 전압일 때, 비교기 출력은 거의 ${\displaystyle -V_{S}}$ (낮은 공급 전압)로 전환된다.