シュミットトリガーの概要

最新の高速データ通信で使用されるほとんどすべてのデジタル回路は、入力に対して何らかの形のシュミットトリガーアクションを必要とします。

シュミットトリガーが使用される理由

ここでのシュミットトリガーの主な目的は、データラインのノイズと干渉を排除し、高速エッジ遷移を備えたクリーンなデジタル出力を提供することです。

立ち上がり時間と立ち下がり時間は、回路の次のステージへの入力として適用できるように、デジタル出力で十分に短くする必要があります。 （多くのICには、入力に現れる可能性のあるエッジ遷移のタイプに制限があります。）

ここでのシュミットトリガーの主な利点は、ノイズを除去できるがデータレートを大幅に低下させるフィルターとは異なり、高いデータ流量を維持しながらノイズの多い信号をクリーンアップすることです。

シュミットトリガーは、エッジ遷移が速くクリーンなデジタル波形に変換するために、エッジ遷移が遅い波形を必要とする回路にもよく見られます。

シュミットトリガーは、正弦波やのこぎり波など、ほぼすべてのアナログ波形を高速エッジ遷移を備えたON-OFFデジタル信号に変換できます。シュミットトリガーは、バッファーやインバーターなど、1つの入力と1つの出力を備えたアクティブなデジタルデバイスです。

動作中、デジタル出力はハイまたはローのいずれかになり、この出力は、入力電圧が2つのプリセットしきい値電圧制限を上回ったり下回ったりした場合にのみ状態を変更します。出力がローの場合、入力信号が特定の上限しきい値を超えない限り、出力はハイに変化しません。

同様に、出力がたまたまハイになった場合、入力信号が特定の下限しきい値を下回るまで、出力はローに変化しません。

下限しきい値は、上限しきい値よりもいくらか低くなっています。振幅が動作電圧範囲内にある限り、任意の種類の波形（正弦波、鋸歯状波、オーディオ波形、パルスなど）を入力に適用できます。

シュミットトリガーを説明するダイアガルム

次の図は、入力電圧の上限と下限のしきい値に起因するヒステリシスを示しています。入力がしきい値の上限を超えると、出力はハイになります。

入力が下限しきい値を下回っている場合、出力は低く、入力信号電圧がたまたま上限しきい値と下限しきい値の間にある場合、出力は以前の値（高または低）を保持します。

下限しきい値と上限しきい値の間の距離は、ヒステリシスギャップと呼ばれます。入力が十分に変化して変化をトリガーするまで、出力は常に前の状態を保持します。これが、名前に「トリガー」が指定されている理由です。

シュミットトリガーは、内部に1ビットのメモリを備えており、トリガーの状態に応じて状態が変化するため、双安定ラッチ回路または双安定マルチバイブレーターとほぼ同じように動作します。

シュミットトリガー操作にIC74XXシリーズを使用

Texas Instrumentsは、古い74XXファミリから最新のAUP1Tファミリまで、ほぼすべてのテクノロジファミリでシュミットトリガー機能を提供しています。

これらのICは、反転または非反転シュミットトリガーのいずれかでパッケージ化できます。 74HC14などのほとんどのシュミットトリガーデバイスには、Vccの固定比率でしきい値レベルがあります。

これはほとんどのアプリケーションに適している可能性がありますが、入力信号の状態に応じてしきい値レベルを変更する必要がある場合があります。

たとえば、入力信号範囲が固定ヒステリシスギャップよりも小さい場合があります。 74HC14などのICでは、出力から入力に負帰還抵抗を接続し、入力信号をデバイス入力に接続する別の抵抗を接続することで、しきい値レベルを変更できます。

これにより、ヒステリシスに必要な正のフィードバックが提供され、追加された2つの抵抗の値を変更するか、ポテンショメータを使用して、ヒステリシスギャップを調整できるようになりました。抵抗は、入力インピーダンスを高レベルに保つのに十分な値である必要があります。

シュミットトリガーは単純な概念ですが、オットーH.シュミットという名前のアメリカの科学者がまだ大学院生であった1934年まで発明されませんでした。

オットー・H・シュミットについて

彼の研究は生物工学と生物物理学に焦点を合わせていたので、彼は電気工学者ではありませんでした。彼は、イカの神経における神経インパルス伝播のメカニズムを再現するデバイスを設計しようとしていたときに、シュミットトリガーのアイデアを思いつきました。

彼の論文は、アナログ信号を完全にオンまたはオフ（「1」または「0」）のデジタル信号に変換できる「熱電子トリガー」について説明しています。

彼は、マイクロソフト、テキサスインスツルメンツ、NXPセミコンダクターズなどの主要なエレクトロニクス企業が、この独自の発明なしに今日のように存在できないことをほとんど知りませんでした。

シュミットトリガーは非常に重要な発明であることが判明したため、市場に出回っているほぼすべてのデジタル電子デバイスの入力メカニズムで使用されています。

シュミットトリガーとは

シュミットトリガーの概念は、正のフィードバックの概念に基づいており、ループゲインが1より大きくなるように正のフィードバックを適用することにより、アクティブな回路またはデバイスをシュミットトリガーのように動作させることができます。

アクティブデバイスの出力電圧は、決められた量だけ減衰され、正のフィードバックとして入力に適用されます。これにより、入力信号が減衰された出力電圧に効果的に追加されます。これにより、入力電圧の上限と下限のしきい値でヒステリシス動作が発生します。

ほとんどの標準バッファー、インバーター、およびコンパレーターは、1つのしきい値のみを使用します。入力波形がいずれかの方向でこのしきい値を超えるとすぐに、出力の状態が変化します。

シュミットトリガーのしくみ

ノイズの多い入力信号または波形の遅い信号は、一連のノイズパルスとして出力に表示されます。

シュミットトリガーはこれをクリーンアップします-入力がしきい値を超えると出力の状態が変化した後、しきい値自体も変化するため、状態を再び変更するには、入力電圧を反対方向にさらに移動する必要があります。

入力のノイズまたは干渉は、その振幅が2つのしきい値の差よりも大きくない限り、出力には現れません。

正弦波やオーディオ信号などのアナログ信号は、高速でクリーンなエッジ遷移を備えた一連のON-OFFパルスに変換できます。正のフィードバックを実装してシュミットトリガー回路を形成するには、3つの方法があります。

シュミットトリガーでのフィードバックのしくみ

最初の構成では、フィードバックが入力電圧に直接追加されるため、出力に別の変化を引き起こすには、電圧を反対方向に大きくシフトする必要があります。

これは一般に並列正帰還として知られています。

2番目の構成では、フィードバックがしきい値電圧から差し引かれます。これは、入力電圧にフィードバックを追加するのと同じ効果があります。

これは直列の正帰還回路を形成し、動的しきい値回路と呼ばれることもあります。抵抗分圧器ネットワークは通常、入力段の一部であるしきい値電圧を設定します。

最初の2つの回路は、1つのオペアンプまたは2つのトランジスタといくつかの抵抗を使用して簡単に実装できます。 3番目の手法はもう少し複雑で、入力ステージのどの部分にもフィードバックがないという点で異なります。

この方法では、2つのしきい値制限値に2つの別々のコンパレータを使用し、1ビットのメモリ要素としてフリップフロップを使用します。コンパレータはメモリ要素内に含まれているため、コンパレータに正のフィードバックは適用されません。これらの3つの方法のそれぞれについて、次の段落で詳しく説明します。

すべてのシュミットトリガーは、ヒステリシス動作を実現するために正のフィードバックに依存するアクティブデバイスです。入力が特定の事前設定された上限しきい値を超えると出力は「ハイ」になり、入力が下限しきい値を下回ると「ロー」になります。

入力が2つのしきい値制限の間にある場合、出力は以前の値（低または高）を保持します。

このタイプの回路は、ノイズの多い信号をクリーンアップし、アナログ波形をクリーンで高速なエッジ遷移を備えたデジタル波形（1と0）に変換するためによく使用されます。

シュミットトリガー回路のフィードバックの種類

シュミットトリガー回路を形成するために正のフィードバックを実装する際に通常使用される3つの方法があります。これらの方法は、並列フィードバック、直列フィードバック、および内部フィードバックであり、以下で説明します。

並列および直列フィードバック技術は、実際には同じフィードバック回路タイプのデュアルバージョンです。並列フィードバック並列フィードバック回路は、修正入力電圧回路と呼ばれることもあります。

この回路では、フィードバックは入力電圧に直接追加され、しきい値電圧には影響しません。出力の状態が変化するとフィードバックが入力に追加されるため、出力をさらに変化させるには、入力電圧を反対方向に大きくシフトする必要があります。

出力がローで、入力信号がスレッショルド電圧を超えるポイントまで増加し、出力がハイに変化した場合。

この出力の一部は、フィードバックループを介して入力に直接適用され、出力電圧を新しい状態に保つのに「役立ちます」。

これにより、入力電圧が効果的に増加し、しきい値電圧を下げるのと同じ効果があります。

スレッショルド電圧自体は変更されませんが、出力をロー状態に変更するには、入力をさらに下方向に移動する必要があります。出力がローになると、この同じプロセスが繰り返されてハイ状態に戻ります。

この回路では、シングルエンドの非反転アンプが機能するため、差動アンプを使用する必要はありません。

入力信号と出力フィードバックの両方が抵抗を介してアンプの非反転入力に適用され、これら2つの抵抗が加重並列サマーを形成します。反転入力がある場合は、一定の基準電圧に設定されます。

並列フィードバック回路の例は、次のように、コレクタベース結合シュミットトリガ回路または非反転オペアンプ回路です。

シリーズフィードバック

動的しきい値（直列フィードバック）回路は、出力からのフィードバックが入力電圧ではなくしきい値電圧を直接変更することを除いて、基本的に並列フィードバック回路と同じように動作します。

フィードバックはスレッショルド電圧から差し引かれます。これは、入力電圧にフィードバックを追加するのと同じ効果があります。入力がスレッショルド電圧制限を超えるとすぐに、スレッショルド電圧は反対の値に変化します。

出力状態を再び変更するには、入力を反対方向に大幅に変更する必要があります。出力は入力電圧から絶縁されており、スレッショルド電圧にのみ影響します。

したがって、この直列回路の入力抵抗は、並列回路に比べてはるかに高くすることができます。この回路は通常、入力が反転入力に接続され、出力が抵抗分圧器を介して非反転入力に接続されている差動アンプに基づいています。

分圧器がしきい値を設定し、ループは直列電圧サマーのように機能します。このタイプの例は、次に示すように、古典的なトランジスタエミッタ結合シュミットトリガーと反転オペアンプ回路です。

内部フィードバック

この構成では、シュミットトリガーは、2つのしきい値制限に対して2つの別個のコンパレータ（ヒステリシスなし）を使用して作成されます。

これらのコンパレータの出力は、RSフリップフロップのセット入力とリセット入力に接続されています。正のフィードバックはフリップフロップ内に含まれているため、コンパレータへのフィードバックはありません。 RSフリップフロップの出力は、入力が上限しきい値を超えるとハイに切り替わり、入力が下限しきい値を下回るとローに切り替わります。

入力が上限しきい値と下限しきい値の間にある場合、出力は以前の状態を保持します。この手法を使用するデバイスの例は、NXPセミコンダクターズとテキサスインスツルメンツ製の74HC14です。

この部分は、RSフリップフロップの設定とリセットに使用される上限しきい値コンパレータと下限しきい値コンパレータで構成されています。 74HC14シュミットトリガーは、実世界の信号をデジタル電子機器とインターフェースするための最も一般的なデバイスの1つです。

このデバイスの2つのしきい値制限は、Vccの固定比率に設定されています。これにより、部品点数が最小限に抑えられ、回路がシンプルに保たれますが、さまざまな種類の入力信号条件に応じてしきい値レベルを変更する必要がある場合があります。

たとえば、入力信号範囲が固定ヒステリシス電圧範囲よりも小さい場合があります。 74HC14では、出力から入力に負帰還抵抗を接続し、入力信号を入力に接続する別の抵抗を接続することにより、しきい値レベルを変更できます。

これにより、固定された30％の正のフィードバックが15％などの低い値に効果的に減少します。入力抵抗を高く保つために、これには大きな値の抵抗（メガオーム範囲）を使用することが重要です。

シュミットトリガーの利点

シュミットトリガーは、何らかの形のデジタル信号処理を備えたあらゆる種類の高速データ通信システムで目的を果たします。実際、これらは2つの目的を果たします。つまり、高いデータ流量を維持しながらデータラインのノイズと干渉をクリーンアップすることと、ランダムなアナログ波形を高速でクリーンなエッジ遷移を備えたON-OFFデジタル波形に変換することです。

これは、ノイズを除去できるフィルターよりも優れていますが、帯域幅が制限されているため、データレートが大幅に低下します。また、標準のフィルターでは、遅い入力波形が適用されたときに、エッジ遷移が速い、きれいでクリーンなデジタル出力を提供できません。

シュミットトリガーのこれら2つの利点について、以下で詳しく説明します。ノイズの多い信号入力ノイズと干渉の影響は、ケーブルが長くなり、データレートが高くなるため、デジタルシステムでは大きな問題になります。

ノイズを低減するためのより一般的な方法には、シールドケーブルの使用、ツイストワイヤの使用、インピーダンスの整合、出力インピーダンスの低減などがあります。

これらの手法はノイズの低減に効果的ですが、入力ラインにノイズが残っているため、回路内で不要な信号がトリガーされる可能性があります。

デジタル回路で使用されるほとんどの標準バッファ、インバータ、およびコンパレータには、入力に1つのしきい値しかありません。したがって、入力波形がいずれかの方向でこのしきい値を超えるとすぐに、出力の状態が変化します。

ランダムノイズ信号が入力でこのしきい値ポイントを複数回超えると、一連のパルスとして出力に表示されます。また、エッジ遷移が遅い波形が、一連の振動ノイズパルスとして出力に現れる可能性があります。

RCネットワークのように、この余分なノイズを減らすためにフィルターが使用されることがあります。ただし、このようなフィルターをデータパスで使用すると、最大データレートが大幅に低下します。フィルタはノイズを遮断しますが、高周波デジタル信号も遮断します。

シュミットトリガーフィルター

シュミットトリガーはこれをクリーンアップします。入力がしきい値を超えると出力の状態が変化した後、しきい値自体も変化するため、出力をさらに変化させるには、入力を反対方向にさらに移動する必要があります。

このヒステリシス効果のため、シュミットトリガーを使用することは、デジタル回路のノイズと干渉の問題を減らすためのおそらく最も効果的な方法です。ノイズと干渉の問題は、通常、シュミットトリガーの形で入力ラインにヒステリシスを追加することで、解消されない場合でも解決できます。

入力のノイズまたは干渉の振幅がシュミットトリガーのヒステリシスギャップの幅よりも小さい限り、出力へのノイズの影響はありません。

振幅がわずかに大きくても、入力信号がヒステリシスギャップの中心にない限り、出力に影響を与えることはありません。最大のノイズ除去を実現するには、しきい値レベルを調整する必要がある場合があります。

これは、正のフィードバックネットワークの抵抗の値を変更するか、ポテンショメータを使用することで簡単に実行できます。

シュミットトリガーがフィルターに対して提供する主な利点は、データレートが遅くならないことであり、場合によっては、遅い波形を速い波形（より速いエッジ遷移）に変換することで実際にスピードアップすることです。今日の市場では、デジタル入力に対して何らかの形のシュミットトリガーアクション（ヒステリシス）が使用されています。

これらには、MCU、メモリチップ、論理ゲートなどが含まれます。これらのデジタルICは入力にヒステリシスがあるかもしれませんが、それらの多くはスペックシートに表示される入力の立ち上がり時間と立ち下がり時間にも制限があり、これらを考慮する必要があります。理想的なシュミットトリガーには、入力に立ち上がり時間または立ち下がり時間の制限がありません。

入力波形が遅い場合、ヒステリシスギャップが小さすぎる場合や、入力がしきい値を超えると出力がハイになり、入力信号が下がると出力がローになるしきい値が1つしかない（シュミットトリガーデバイスではない）場合があります。それ。

このような場合、しきい値の周囲に周辺領域があり、入力信号が遅いと、回路に発振や過剰な電流が流れやすくなり、デバイスが損傷する可能性があります。これらの遅い入力信号は、高速デジタルでも発生することがあります。電源投入状態またはフィルター（RCネットワークなど）を使用して信号を入力に供給するその他の状態の回路。

このタイプの問題は、手動スイッチの「デバウンス」回路、長いケーブルまたは配線、および高負荷の回路内で発生することがよくあります。

たとえば、低速ランプ信号（積分器）がバッファに適用され、それが入力の単一のしきい値ポイントを超えると、出力の状態が変化します（たとえば、ローからハイに）。このトリガー動作により、電源から瞬間的に余分な電流が引き出され、VCC電力レベルがわずかに低下する可能性があります。

この変更は、入力がしきい値を再び超えたことをバッファが検出するため、出力の状態を再びHighからLowに変更するのに十分である可能性があります（入力は同じままですが）。これは反対方向に再び繰り返される可能性があるため、一連の振動パルスが出力に現れます。

この場合にシュミットトリガーを使用すると、発振が除去されるだけでなく、低速エッジ遷移がほぼ垂直なエッジ遷移を伴うクリーンな一連のON-OFFパルスに変換されます。シュミットトリガーの出力は、立ち上がり時間と立ち下がり時間の仕様に従って、次のデバイスへの入力として使用できます。

（シュミットトリガーを使用することで発振を排除できますが、遷移中に過剰な電流が流れる可能性があり、他の方法で修正する必要がある場合があります。）

シュミットトリガーは、正弦波、オーディオ波形、のこぎり波などのアナログ入力を方形波または高速エッジ遷移を備えた他のタイプのON-OFFデジタル信号に変換する必要がある場合にも見られます。