Introducción a Schmitt Trigger

Casi cualquier circuito digital utilizado en las comunicaciones modernas de datos de alta velocidad necesita alguna forma de acción de disparo Schmitt en sus entradas.

Por qué se utiliza el gatillo Schmitt

El propósito principal de un disparador Schmitt aquí es eliminar el ruido y la interferencia en las líneas de datos y proporcionar una salida digital limpia y agradable con transiciones de borde rápidas.

Los tiempos de subida y bajada deben ser lo suficientemente bajos en una salida digital como para poder aplicarlos como entradas a las siguientes etapas de un circuito. (Muchos circuitos integrados tienen limitaciones del tipo de transición de borde que puede aparecer en una entrada).

La principal ventaja de los disparadores Schmitt aquí es que limpian las señales ruidosas mientras mantienen una alta tasa de flujo de datos, a diferencia de los filtros, que pueden filtrar el ruido, pero ralentizan significativamente la tasa de datos.

Los disparadores Schmitt también se encuentran comúnmente en circuitos que necesitan una forma de onda con transiciones de borde lentas para traducirse en una forma de onda digital con transiciones de borde limpias y rápidas.

Un disparador Schmitt puede transformar casi cualquier forma de onda analógica, como una onda sinusoidal o una forma de onda de diente de sierra, en una señal digital ON-OFF con transiciones de borde rápidas. Los disparadores Schmitt son dispositivos digitales activos con una entrada y una salida, como un búfer o un inversor.

En funcionamiento, la salida digital puede ser alta o baja, y esta salida cambia de estado solo cuando su voltaje de entrada supera o está por debajo de dos límites de voltaje de umbral preestablecidos. Si la salida resulta ser baja, la salida no cambiará a alta a menos que la señal de entrada supere cierto límite de umbral superior.

Asimismo, si la salida es alta, la salida no cambiará a baja hasta que la señal de entrada descienda por debajo de cierto límite de umbral inferior.

El umbral inferior es algo inferior al límite superior. Se puede aplicar cualquier tipo de forma de onda a la entrada (ondas sinusoidales, dientes de sierra, formas de onda de audio, pulsos, etc.) siempre que su amplitud esté dentro del rango de voltaje operativo.

Diagarm para explicar el disparador de Schmitt

El siguiente diagrama muestra la histéresis resultante de los valores de umbral de voltaje de entrada superior e inferior. Siempre que la entrada está por encima del límite superior del umbral, la salida es alta.

Cuando la entrada está por debajo del umbral inferior, la salida es baja, y cuando el voltaje de la señal de entrada se encuentra entre los límites del umbral superior e inferior, la salida conserva su valor anterior, que puede ser alto o bajo.

La distancia entre el umbral inferior y el umbral superior se denomina brecha de histéresis. La salida siempre conserva su estado anterior hasta que la entrada cambia lo suficiente como para activarla. Esta es la razón de la designación de 'disparador' en el nombre.

El disparador Schmitt funciona de la misma manera que un circuito de enclavamiento biestable o un multivibrador biestable, ya que tiene una memoria interna de 1 bit y cambia su estado según las condiciones del disparador.

Uso de la serie IC 74XX para el funcionamiento del disparador Schmitt

Texas Instruments proporciona funciones de disparador Schmitt en casi todas sus familias de tecnología, desde la antigua familia 74XX hasta la última familia AUP1T.

Estos circuitos integrados se pueden empaquetar con un disparador Schmitt inversor o no inversor. La mayoría de los dispositivos de activación de Schmitt, como el 74HC14, tienen niveles de umbral en una proporción fija de Vcc.

Esto puede ser adecuado para la mayoría de las aplicaciones, pero a veces es necesario cambiar los niveles de umbral según las condiciones de la señal de entrada.

Por ejemplo, el rango de la señal de entrada puede ser menor que el intervalo de histéresis fijo. Los niveles de umbral se pueden cambiar en circuitos integrados como el 74HC14 conectando una resistencia de retroalimentación negativa de salida a entrada junto con otra resistencia que conecta la señal de entrada a la entrada del dispositivo.

Esto proporciona la retroalimentación positiva necesaria para la histéresis, y la brecha de histéresis ahora se puede ajustar cambiando los valores de las dos resistencias agregadas o usando un potenciómetro. Las resistencias deben tener un valor suficientemente grande para mantener la impedancia de entrada en un nivel alto.

Un disparador de Schmitt es un concepto simple, pero no se inventó hasta 1934, mientras que un científico estadounidense llamado Otto H. Schmitt todavía era un estudiante de posgrado.

Acerca de Otto H. Schmitt

No era ingeniero eléctrico, ya que sus estudios se centraron en ingeniería biológica y biofísica. Se le ocurrió la idea de un disparador Schmitt mientras intentaba diseñar un dispositivo que replicaría el mecanismo de propagación del impulso neural en los nervios del calamar.

Su tesis describe un 'disparador termoiónico' que permite convertir una señal analógica en una señal digital, que está completamente encendida o apagada ('1' o '0').

Poco sabía él que las principales empresas de electrónica como Microsoft, Texas Instruments y NXP Semiconductors no podrían existir como lo son hoy sin este invento único.

El disparador Schmitt resultó ser un invento tan importante que se utiliza en los mecanismos de entrada de prácticamente todos los dispositivos electrónicos digitales del mercado.

¿Qué es un disparador Schmitt?

El concepto de un disparador Schmitt se basa en la idea de retroalimentación positiva y en el hecho de que cualquier circuito o dispositivo activo puede actuar como un disparador Schmitt aplicando la retroalimentación positiva de modo que la ganancia del bucle sea mayor que uno.

El voltaje de salida del dispositivo activo se atenúa en una cantidad determinada y se aplica como retroalimentación positiva a la entrada, lo que agrega efectivamente la señal de entrada al voltaje de salida atenuado, lo que crea una acción de histéresis con valores de umbral de voltaje de entrada superior e inferior.

La mayoría de los búferes, inversores y comparadores estándar utilizan solo un valor de umbral. La salida cambia de estado tan pronto como la forma de onda de entrada cruza este umbral en cualquier dirección.

Cómo funciona Schmitt Trigger

Una señal de entrada ruidosa o una señal con una forma de onda lenta aparecería en la salida como una serie de pulsos de ruido.

Un disparador Schmitt limpia esto: después de que la salida cambia de estado cuando su entrada cruza un umbral, el umbral en sí también cambia, por lo que ahora el voltaje de entrada debe moverse más en la dirección opuesta para cambiar de estado nuevamente.

El ruido o la interferencia en la entrada no aparecerían en la salida a menos que su amplitud sea mayor que la diferencia entre los dos valores de umbral.

Cualquier señal analógica, como formas de onda sinusoidales o señales de audio, se puede traducir en una serie de pulsos ON-OFF con transiciones de borde rápidas y limpias. Hay tres métodos para implementar la retroalimentación positiva para formar un circuito disparador Schmitt.

Cómo funciona la retroalimentación en Schmitt Trigger

En la primera configuración, la retroalimentación se agrega directamente al voltaje de entrada, por lo que el voltaje tiene que cambiar una cantidad mayor en la dirección opuesta para causar otro cambio en la salida.

Esto se conoce comúnmente como retroalimentación positiva paralela.

En la segunda configuración, la retroalimentación se resta del voltaje umbral, lo que tiene el mismo efecto que agregar retroalimentación al voltaje de entrada.

Esto forma un circuito de retroalimentación positiva en serie y, a veces, se denomina circuito de umbral dinámico. Una red de resistencia-divisor generalmente establece el voltaje de umbral, que es parte de la etapa de entrada.

Los dos primeros circuitos se pueden implementar fácilmente mediante el uso de un solo opamp o dos transistores junto con algunas resistencias. La tercera técnica es un poco más compleja y es diferente en el sentido de que no tiene ningún comentario sobre ninguna parte de la etapa de entrada.

Este método utiliza dos comparadores separados para los dos valores límite de umbral y un flip-flop como elemento de memoria de 1 bit. No se aplica una retroalimentación positiva a los comparadores, ya que están contenidos dentro del elemento de memoria. Cada uno de estos tres métodos se explica con más detalle en los siguientes párrafos.

Todos los disparadores de Schmitt son dispositivos activos que dependen de la retroalimentación positiva para lograr su acción de histéresis. La salida pasa a 'alta' siempre que la entrada se eleva por encima de un cierto límite de umbral superior preestablecido, y pasa a 'baja' cuando la entrada cae por debajo de un límite de umbral inferior.

La salida conserva su valor anterior (bajo o alto), cuando la entrada se encuentra entre los dos límites de umbral.

Este tipo de circuito se usa a menudo para limpiar señales ruidosas y convertir una forma de onda analógica en una forma de onda digital (1 y 0) con transiciones de borde rápidas y limpias.

Tipos de retroalimentación en los circuitos de disparo de Schmitt

Hay tres métodos que se utilizan normalmente para implementar la retroalimentación positiva para formar un circuito de disparo Schmitt. Estos métodos son retroalimentación en paralelo, retroalimentación en serie y retroalimentación interna, y se describen a continuación.

Las técnicas de retroalimentación en paralelo y en serie son en realidad versiones duales del mismo tipo de circuito de retroalimentación. Realimentación en paralelo Un circuito de realimentación en paralelo a veces se denomina circuito de voltaje de entrada modificado.

En este circuito, la retroalimentación se agrega directamente al voltaje de entrada y no afecta el voltaje umbral. A medida que la retroalimentación se agrega a la entrada cuando la salida cambia de estado, el voltaje de entrada tiene que cambiar una cantidad mayor en la dirección opuesta para causar más cambios en la salida.

Si la salida es baja y la señal de entrada aumenta hasta el punto en que cruza el voltaje de umbral y la salida cambia a alta.

Parte de esta salida se aplica directamente a la entrada a través de un circuito de retroalimentación, que “ayuda” a que el voltaje de salida permanezca en su nuevo estado.

Esto aumenta efectivamente el voltaje de entrada, lo que tiene el mismo efecto que reducir el voltaje de umbral.

El voltaje de umbral en sí no se cambia, pero la entrada ahora tiene que moverse más hacia abajo para cambiar la salida a un estado bajo. Una vez que la salida es baja, este mismo proceso se repite para volver al estado alto.

Este circuito no tiene que usar un amplificador diferencial, ya que funcionará cualquier amplificador no inversor de un solo extremo.

Tanto la señal de entrada como la retroalimentación de salida se aplican a la entrada no inversora del amplificador a través de resistencias, y estas dos resistencias forman un verano paralelo ponderado. Si hay una entrada inversora, se establece en un voltaje de referencia constante.

Ejemplos de circuitos de retroalimentación en paralelo son un circuito disparador Schmitt acoplado a una base de colector o un circuito de amplificador operacional no inversor, como se muestra:

Comentarios de la serie

Un circuito de umbral dinámico (retroalimentación en serie) funciona básicamente de la misma manera que un circuito de retroalimentación en paralelo, excepto que la retroalimentación de la salida cambia directamente el voltaje de umbral en lugar del voltaje de entrada.

La retroalimentación se resta del voltaje de umbral, lo que tiene el mismo efecto que agregar retroalimentación a la tensión de entrada. Tan pronto como la entrada cruza el límite de voltaje de umbral, el voltaje de umbral cambia al valor opuesto.

La entrada ahora tiene que cambiar en mayor medida en la dirección opuesta para cambiar el estado de salida nuevamente. La salida está aislada del voltaje de entrada y solo afecta el voltaje umbral.

Por lo tanto, la resistencia de entrada se puede hacer mucho más alta para este circuito en serie en comparación con un circuito en paralelo. Este circuito generalmente se basa en un amplificador diferencial donde la entrada está conectada a la entrada inversora y la salida está conectada a la entrada no inversora a través de un divisor de voltaje de resistencia.

El divisor de voltaje establece los valores de umbral y el lazo actúa como un verano de voltaje en serie. Ejemplos de este tipo son el disparador Schmitt acoplado por emisor de transistor clásico y un circuito de amplificador operacional inversor, como se muestra aquí:

Comentarios internos

En esta configuración, se crea un disparador Schmitt utilizando dos comparadores separados (sin histéresis) para los dos límites de umbral.

Las salidas de estos comparadores están conectadas a las entradas de ajuste y reinicio de un flip-flop RS. La retroalimentación positiva está contenida dentro del flip-flop, por lo que no hay retroalimentación para los comparadores. La salida del flip-flop RS cambia a alta cuando la entrada supera el umbral superior y cambia a baja cuando la entrada desciende por debajo del umbral inferior.

Cuando la entrada se encuentra entre los umbrales superior e inferior, la salida conserva su estado anterior. Un ejemplo de un dispositivo que utiliza esta técnica es el 74HC14 fabricado por NXP Semiconductors y Texas Instruments.

Esta parte consta de un comparador de umbral superior y un comparador de umbral inferior, que se utilizan para configurar y restablecer un flip-flop RS. El disparador 74HC14 Schmitt es uno de los dispositivos más populares para interconectar señales del mundo real con electrónica digital.

Los dos límites de umbral en este dispositivo se establecen en una relación fija de Vcc. Esto minimiza el recuento de piezas y mantiene el circuito simple, pero a veces es necesario cambiar los niveles de umbral para diferentes tipos de condiciones de señal de entrada.

Por ejemplo, el rango de la señal de entrada puede ser menor que el rango de voltaje de histéresis fijo. Los niveles de umbral se pueden cambiar en el 74HC14 conectando una resistencia de retroalimentación negativa de la salida a la entrada, y otra resistencia que conecta la señal de entrada a la entrada.

Esto reduce efectivamente la retroalimentación positiva fija del 30% a un valor más bajo, como el 15%. Es importante usar resistencias de alto valor para esto (rango Mega-Ohm) para mantener alta la resistencia de entrada.

Ventajas del gatillo Schmitt

Los disparadores Schmitt tienen un propósito en cualquier tipo de sistema de comunicación de datos de alta velocidad con alguna forma de procesamiento de señales digitales. En realidad, tienen un doble propósito: limpiar el ruido y la interferencia en las líneas de datos sin dejar de mantener una alta tasa de flujo de datos, y convertir una forma de onda analógica aleatoria en una forma de onda digital ON-OFF con transiciones de borde rápidas y limpias.

Esto proporciona una ventaja sobre los filtros, que pueden filtrar el ruido, pero ralentizan significativamente la velocidad de datos debido a su ancho de banda limitado. Además, los filtros estándar no pueden proporcionar una salida digital limpia y agradable con transiciones de borde rápidas cuando se aplica una forma de onda de entrada lenta.

Estas dos ventajas de los disparadores Schmitt se explican con más detalle a continuación: Entradas de señales ruidosas Los efectos del ruido y la interferencia son un problema importante en los sistemas digitales, ya que se utilizan cables cada vez más largos y se requieren velocidades de datos cada vez más altas.

Algunas de las formas más comunes de reducir el ruido incluyen el uso de cables blindados, el uso de cables trenzados, igualar las impedancias y reducir las impedancias de salida.

Estas técnicas pueden ser efectivas para reducir el ruido, pero aún quedará algo de ruido en una línea de entrada y eso podría disparar señales no deseadas dentro de un circuito.

La mayoría de los búferes, inversores y comparadores estándar utilizados en circuitos digitales tienen solo un valor de umbral en la entrada. Entonces, la salida cambia de estado tan pronto como la forma de onda de entrada cruza este umbral en cualquier dirección.

Si una señal de ruido aleatorio cruza este punto de umbral en una entrada varias veces, se verá en la salida como una serie de pulsos. Además, una forma de onda con transiciones de borde lentas podría aparecer en la salida como una serie de pulsos de ruido oscilante.

A veces se utiliza un filtro para reducir este ruido adicional, como en una red RC. Pero cada vez que se utiliza un filtro como este en la ruta de datos, ralentiza significativamente la velocidad máxima de datos. Los filtros bloquean el ruido, pero también bloquean las señales digitales de alta frecuencia.

Filtros de disparo Schmitt

Un disparador Schmitt limpia esto. Después de que la salida cambia de estado cuando su entrada cruza un umbral, el umbral en sí también cambia, entonces la entrada tiene que moverse más en la dirección opuesta para causar otro cambio en la salida.

Debido a este efecto de histéresis, el uso de disparadores Schmitt es probablemente la forma más efectiva de reducir los problemas de ruido e interferencia en un circuito digital. Los problemas de ruido e interferencia generalmente se pueden resolver, si no eliminar, agregando histéresis en la línea de entrada en forma de un disparador Schmitt.

Siempre que la amplitud del ruido o la interferencia en la entrada sea menor que el ancho de la brecha de histéresis del disparador Schmitt, no habrá efectos de ruido en la salida.

Incluso si la amplitud es ligeramente mayor, no debería afectar la salida a menos que la señal de entrada esté centrada en el espacio de histéresis. Es posible que los niveles de umbral deban ajustarse para lograr la máxima eliminación de ruido.

Esto se puede hacer fácilmente cambiando los valores de una resistencia en la red de retroalimentación positiva o usando un potenciómetro.

El principal beneficio que proporciona un disparador Schmitt sobre los filtros es que no ralentiza la velocidad de datos y, en realidad, la acelera en algunos casos mediante la conversión de formas de onda lentas en formas de onda rápidas (transiciones de borde más rápidas) .Casi cualquier IC digital en el El mercado actual utiliza alguna forma de acción de disparo de Schmitt (histéresis) en sus entradas digitales.

Estos incluyen MCU, chips de memoria, puertas lógicas, etc. Aunque estos circuitos integrados digitales pueden tener histéresis en sus entradas, muchos de ellos también tienen limitaciones para sus tiempos de subida y bajada de entrada que se muestran en sus hojas de especificaciones, y estos deben tenerse en cuenta. Un disparador Schmitt ideal no tiene limitaciones de tiempo de subida o bajada en su entrada.

Formas de onda de entrada lentas a veces la brecha de histéresis es demasiado pequeña, o solo hay un valor de umbral (un dispositivo disparador que no es de Schmitt) donde la salida sube si la entrada sube por encima del umbral, y la salida baja si la señal de entrada cae por debajo eso.

En casos como estos, hay un área marginal alrededor del umbral, y una señal de entrada lenta puede causar fácilmente oscilaciones o un exceso de corriente que fluya a través del circuito, lo que incluso podría dañar el dispositivo. Estas señales de entrada lentas a veces pueden ocurrir incluso en digital rápido circuitos en condiciones de encendido u otras condiciones en las que se utiliza un filtro (como una red RC) para alimentar señales a las entradas.

Los problemas de este tipo a menudo ocurren dentro de los circuitos de 'eliminación de rebotes' de interruptores manuales, cables largos o alambrado y circuitos muy cargados.

Por ejemplo, si se aplica una señal de rampa lenta (integrador) a un búfer y cruza el punto de umbral único en la entrada, la salida cambiará su estado (de bajo a alto, por ejemplo). Esta acción de activación podría provocar que se extraiga corriente adicional de la fuente de alimentación momentáneamente y también reducir ligeramente el nivel de potencia de VCC.

Este cambio podría ser suficiente para hacer que la salida cambie su estado nuevamente de alto a bajo, ya que el búfer detecta que la entrada cruzó el umbral nuevamente (a pesar de que la entrada permanece igual). Esto podría repetirse nuevamente en la dirección opuesta, por lo que aparecería una serie de pulsos oscilantes en la salida.

El uso de un disparador Schmitt en este caso no solo eliminará las oscilaciones, sino que también traducirá las lentas transiciones de borde en una serie limpia de pulsos ON-OFF con transiciones de borde casi verticales. La salida de un disparador Schmitt se puede utilizar como entrada al siguiente dispositivo de acuerdo con sus especificaciones de tiempo de subida y bajada.

(Aunque las oscilaciones se pueden eliminar mediante el uso de un disparador Schmitt, aún podría haber un exceso de flujo de corriente en una transición, que puede necesitar ser corregido de alguna otra manera).

El disparador Schmitt también se encuentra en los casos en que una entrada analógica, como una forma de onda sinusoidal, una forma de onda de audio o una forma de onda de diente de sierra, necesita convertirse en una onda cuadrada o algún otro tipo de señal digital ON-OFF con transiciones de borde rápidas.