슈미트트리거(Schmitt trigger)에 대한 좋은 설명

슈미트트리거(Schmitt trigger)에 대한 좋은 설명 

슈미트 트리거

슈미트 트리거 회로(Schmitt trigger circuit)는 2개의 논리 상태 중에서 어느 한 상태로 안정 되는 회로이므로 쌍안정 멀티 바이브레이터의 변형된 형태라 할 수 있다. 이 회로는 입력 전압이 어떤 정해진 값 이상으로 높아지면 출력 파형이 상승하고 어떤 정해진 값 이하로 낮아지면 출력 파형이 하강하는 동작을 한다.  

그러므로 구형파가 아닌 입력 파형을 걸어 주면 그 전환 레벨에 해당되는 펄스 폭의 직사각형 파를 얻을 수 있다. 이 회로의 트리거 신호는 서서히 변하는 교류 전압이다. 슈미트 트리거 회로는 입력 전압 값에 따라 민감하게 동작하는 회로로서 2개의 서로 다른 트리거 전압 값에서 출력 상태가 변환된다. 

즉 아래 그림과 같이 낮은 트리거 전압 값(LTP : low trigger point)과 높은 트리거 전압(UTP : upper trigger point) 에서 동작한다. 그러므로 입력 파형은 서서히 변화되는 사인파이고 출력은 높고 낮은 2개의 논리 상태를 형성하는 구형파이다.

 

슈미트 트리거 정의

대부분의 CMOS 장치 입력의 높고 낮은 전환은 빠른 에지 여야합니다. 가장자리가 충분히 빠르지 않으면 더 많은 전류를 제공하는 경향이 있으며 이로 인해 장치가 손상 될 수 있습니다. 아날로그 신호는 일반적으로 완벽하지 않으며 항상 깨끗한 가장자리가 없을 수 있습니다. Schmitt Trigger는 이러한 신호를 방지하는 데 사용되는 특수한 유형의 비교기입니다.

비교기는 두 전압을 비교하는 장치이며 결과는 한 전압이 다른 전압보다 높은지 여부를 나타냅니다. 회생 비교기라고도하는 슈미트 트리거는 입력 전압을 두 개의 기준 전압과 비교하여 동등한 출력을 생성합니다. 슈미트 트리거의 출력은 입력의 모양에 관계없이 항상 정사각형 또는 직사각형입니다. 다음을 수행해야 할 때 자주 사용됩니다.

• 사인파를 구형파로 변환
• 노이즈신호를 깔끔하게 변환
• 느린 파장 (삼각파)를 빠른 파장 (사각파)로 변환

 

정리하자면 

슈미트 트리거는 1에서 0으로 또는 0에서 1로 신호가 변할 때, 잡음에 의해서 1인지 0인지를 판별할 수 없을 때를 대비하여 추가하는 회로이다. 즉, 변하는 시점이 1 ~ 0 사이에 두 개가 존재한다.  만약 5V회로가 있다면, 0 ~ 0.8V는 0으로 인식하고, 2.5V ~ 5V는 1로 인식을 한다. 따라서 중간에 남는 부분(0.8V~2.5V)은 두 개의 Threshold 값이 존재하게 되는 것이다. 1에서 0으로 변할 때는 0.8V에서 0으로 인식하고, 0 에서 1로 변할때는 2.5V에서 1로 인식하는 것이다.

---

슈미트트리거

 

-용도 : 완전한 구형파를 만들기 위해 사용

ex) 1. digital 입력에서 mcu가 'H' 'L'를 인식하는데 있어 노이즈로 인해 값이 요동친다면 문제 발생하므로 적용

      2, 정현파로부터 구형파를 얻고 싶을 때

 

여기서 중요한 point는 슈미트트리거에서 사용되는건 OP-AMP(연산 증폭기) 가 아닌 Comparator 입니다!! 

OP-amp를 feedback 회로만 없이 쓰면 comparator랑 같다고 생각하시는 분들이 있는데 엄연히 다릅니다.

 

일반적으로 슈미트트리거는 입력을 inverting(-)단자에 사용한다   (이유가 있는거 같은데 이건 나중에 찾아보기로 )

따라서 Vin 이 reference 전압보다 높으면 Comparator 의 포화 전앖값인 -Vee가 출력된다. -->따라서 출력단에 인버터 달아줍니다

들어가기 전에 가장 기초 지식 

Comparator는 OP-amp와는 다르게 선형영역이 아닌 포화모드에서 활용한다 즉 gain이 매우커서 입력 양단의 전압차이가 조금만 발생해도 Vcc,-Vee값을 가진다는 거쥬 

 

아래 사진을 보며 A의 경우 (빨간선이 threshold voltage) 조금의 변화만 발생해도 민감하게 'H', 'L' 값으로 요동!

반면   B의 경우 (초록선 2개가 threshold voltage)가 여유 값을 가지기 때문에 노이즈가 침투해도 본래의 출력을 유지! 

일반적으로 위에 초록 선을 upper threshold voltage, 밑에 초록 선을 Lower threshold voltage라 부른다

그리고 초록선 사이를 hysterisys라고 한다.

threshold voltage보다 높을때 high가 출력되는 이유는

일반적으로 슈미트트리거 회로인 (아래 그림) 출력단에 인버팅을 해서 그렇다고 합니다. 

 

noninverting(+) : Vref

inverting(-)    : Vin

 

처음에 말했듯이 Input이 inverting(-)로 들어오기 때문에

Vin 이 reference 전압보다 높으면 Comparator의 포화 전앖 값인 -Vee가 출력된다. 

-->따라서 출력단에 인버터 달아줍니다 

--> 인버터 달면 최종적으로 Vin값이 Vref보다 클때 출력이 Vcc(High) 값이 나오는걸 볼 수 있습니다

---

슈미트 트리거로서의 555 타이머 회로

다음 회로는 Schmitt 트리거로 사용되는 555 타이머의 구조를 보여줍니다.

 

 

 

핀 4와 8은 전원 (VCC)에 연결됩니다.
핀 2와 6은 서로 연결되어 있으며 입력은 커패시터 C를 통해이 공통 지점에 제공됩니다.
이 공통점에는 저항 R1 및 R2에 의해 형성된 전압 분배기 회로의 도움으로 VCC / 2의 외부 바이어스 전압이 공급됩니다.

슈미트 트리거의 중요한 특성은 히스테리시스입니다.
입력 전압이 상한 임계 값보다 크면 슈미트 트리거의 출력은 높고 입력 전압이 하한 임계 값보다 낮 으면 슈미트 트리거의 출력은 낮습니다.

입력이 두 임계 값 사이에있을 때 출력은 해당 값을 유지합니다.
두 개의 임계 값 사용을 히스테리시스라고하며 Schmitt 트리거는 메모리 요소 (쌍 안정 멀티 바이브레이터 또는 플립 플롭) 역할을합니다.

이 경우 임계 값은 2/3 VCC 및 1/3 VCC입니다. 즉, 상위 비교기는 2/3 VCC에서 트립되고 하위 비교기는 1/3 VCC에서 트립됩니다.
입력 전압은 개별 비교기에 의해 이러한 임계 값과 비교되며 이에 따라 플립 플롭이 SET 또는 RESET됩니다. 이를 기반으로 출력이 높거나 낮습니다.

VCC / 6보다 큰 진폭의 사인파가 입력에 적용되면 플립 플롭이 설정되고 포지티브 사이클과 네거티브 사이클에 대해 교대로 재설정됩니다.
출력은 구형파이며 입력 사인파 및 출력 구형파에 대한 파형은 다음과 같습니다.

 

입력 사인파 및 출력 구형파에 대한 파형

반전 슈미트 트리거

Schmitt 트리거로서 555 타이머의 정상적인 작동은 본질적으로 반전됩니다. 외부 입력과 동일한 트리거 입력이 1/3 VCC의 임계 값 아래로 떨어지면 하위 비교기의 출력이 높아지고 플립 플롭이 설정되고 핀 3의 출력이 높아집니다.

마찬가지로, 외부 입력과 동일한 임계 값 입력이 2/3 VCC의 임계 값 이상으로 상승하면 상위 비교기의 출력이 높아지고 플립 플롭이 RESET되고 핀 3의 출력이 낮아집니다.

반전 슈미트 트리거의 파형은 다음과 같습니다.

 

이상으로 슈미트트리거(Schmitt trigger)에 대한 쉬운 설명 이였습니다.

읽어주셔서 감사합니다. 

읽어주셔서 감사합니다