Schmitt-Trigger

Der Schmitt-Trigger, benannt nach seinem Erfinder Otto Schmitt, der diesen 1934 noch als Student erfunden hat, ist eine elektronische Komparator-Schaltung, bei der die Ein- bzw. Ausschaltschwellen nicht zusammenfallen, sondern um eine bestimmte Spannung, die Schalthysterese, gegeneinander versetzt sind. Verwendet wird ein Schmitt-Trigger zur Erzeugung binärer Signale oder um eindeutige Schaltzustände aus einem analogen Eingangssignalverlauf zu gewinnen. Anwendungsbeispiele sind (in Verbindung mit einem RC-Glied) das Entprellen von Schaltern oder die Schwingungserzeugung (Kippschwinger).

Schaltsymbol für einen Schmitt-Trigger.

Schaltsymbol für den invertierten Schmitt-Trigger.

Funktion

Ausgangssignal eines Komparators (A) im Vergleich zum Ausgangssignal eines Schmitt-Triggers (B).

Der Schmitt-Trigger ist ein analoger Komparator mit Mitkopplung. Er arbeitet als Vergleicher für zwei analoge Spannungen und funktioniert als Schwellenwertschalter: Bei Überschreiten einer bestimmten im Schmitt-Trigger eingestellten Schwellspannung nimmt der Ausgang bei der nicht invertierenden Ausführung die maximal mögliche Ausgangsspannung (logisch 1) an, im anderen Fall die minimal mögliche Ausgangsspannung (logisch 0). Bei der invertierenden Ausführung verhält sich der Ausgang umgekehrt. Ausgangsspannungen zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert kommen im statischen Betrieb nicht vor. Durch die Mitkopplung besitzt er im Gegensatz zum reinen Komparator unterschiedliche Ein- und Ausschaltschwellen, die um den Hysterese genannten Wert auseinanderliegen.

Überschreitet die Eingangsspannung bei einem invertierenden Schmitt-Trigger die obere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers, so kippt seine Ausgangsspannung vom maximalen Spannungswert auf den minimalen Spannungswert. Unterschreitet die Eingangsspannung anschließend die untere Schaltschwelle, so kippt die Ausgangsspannung zurück auf die maximale Ausgangsspannung. Die geringe Differenzspannung zwischen den beiden Schwellspannungen auf der Eingangsseite ist die Hysterese und lässt sich bei der diskret aufgebauten Version eines Schmitt-Triggers durch Widerstände im Aufbau definieren. Bei Schmitt-Triggern, die als integrierter Schaltkreis ausgeführt sind, ist eine Veränderung dieser Schaltschwellen meist nicht möglich.

Die Hysterese des Schmitt-Triggers (die Spannung zwischen den beiden Schaltschwellen) kann von wenigen Millivolt bis über den Wert der Versorgungsspannung hinaus betragen. Das wird durch die Dimensionierung der Widerstände in der Mitkopplung des enthaltenen Komparators festgelegt.

Invertierender Schmitt-Trigger

Schaltbild eines invertierenden Schmitt-Triggers mit U_e als Eingangsspannung und U_r als Referenzwert.

Kennlinie eines invertierenden Schmitt-Triggers.

Das nebenstehende Schaltbild stellt einen mit einem Operationsverstärker aufgebauten invertierenden Schmitt-Trigger mit einstellbarem Schwellenwert in Form der Spannung U_r dar. In Schaltungen wird meist nur der Eingang, hier mit U_e gekennzeichnet, und der Ausgang mit U_a eingezeichnet. Die Mitkopplung wird dadurch erreicht, dass ein Teil der Ausgangsspannung über das Widerstandsnetzwerk zurück an den positiven (nicht-invertierenden) Eingang des Operationsverstärkers gelangt.

Die genauen Schaltschwellen U₁ und U₂ für das Ein- bzw. Ausschalten weichen von der von außen vorgegebenen Schwellspannung U_r aufgrund der Hysterese ab und lassen sich über folgende Gleichungen bestimmen:

$U_1 = U_r + {R_2 \over {R_1+R_2}} \cdot (+U_v-U_r) = {{R_1 \cdot U_r + R_2 \cdot U_v} \over {R_1+R_2}}$

$U_2 = U_r + {R_2 \over {R_1+R_2}} \cdot (-U_v-U_r) = {{R_1 \cdot U_r - R_2 \cdot U_v} \over {R_1+R_2}}$

Die nebenstehende Kennlinie eines invertierenden Schmitt-Triggers, dargestellt in der Eingangs- zu Ausgangsspannungs-Ebene, verdeutlicht die unterschiedlichen Schwellspannungen.

Die Spannung U_v entspricht in der Modellierung der symmetrischen Versorgungsspannung des Operationsverstärkers. Bei einem realen Operationsverstärker sollten jedoch die Sättigungsspannungen des Ausgangs zur Berechnung von Größen eingesetzt werden, die geringfügig unterhalb der Versorgungsspannung liegen.

Es ist auch möglich, einen Operationsverstärker als Schmitt-Trigger mit asymmetrischer Versorgungsspannung zu betreiben. In diesem Fall ist die negative Versorgungsspannung U_v gleich 0 V und der Ausgang schaltet zwischen 0 V, was logisch-0 entspricht, und U_v, was logisch-1 entspricht. Die Schwellspannung U_r wird dann meist gleich der halben Versorgungsspannung U_v gewählt – die genauen Spannungsniveaus können aber je nach Logikfamilie unterschiedlich sein. Diese Art der asymmetrischen Versorgung wird meist in digitalen Schaltungen bevorzugt. Ein weit verbreiteter Typ in CMOS-Technik ist der CD4093, der vier Trigger in einem Gehäuse vereint. Damit kann man sehr einfache Oszillatorschaltungen bauen.

Sind statt der Referenzspannung U_r beide Schaltschwellen U₁ und U₂ gegeben, so ist unabhängig von den Widerständen R₁ und R₂ zunächst die Referenzspannung U_r folgendermaßen zu wählen:

$U_r = U_v \cdot {{U_1 + U_2} \over {2U_v + U_2 - U_1}}$

R₂ kann frei gewählt werden und R₁ ergibt sich dann daraus:

$R_1 = {{U_v - U_1} \over {U_1 - U_r}} \cdot R_2$

Nicht-invertierender Schmitt-Trigger

Schaltbild eines nicht invertierenden Schmitt-Triggers

Nebenstehend ist die Schaltung eines nicht-invertierenden Schmitt-Triggers dargestellt. Das Verhalten der Ausgangsspannung ist im Vergleich zu obiger Schaltung genau invers. Der Eingangswiderstand der Beispiel-Schaltung ist wesentlich kleiner als bei der invertierenden Schmitt-Trigger-Schaltung und entspricht dynamisch dem Widerstand R₁+R₂. Aufgrund der Umschaltung liegt eine Rückwirkung auf den Eingang vor. Daher wird diese Schaltung selten angewandt – die Invertierung der Ausgangsspannung kann auch durch einen nachgeschaltenen Inverter vorgenommen werden und vermeidet dann den Nachteil des geringen Eingangswiderstandes des nicht-invertierenden Schmitt-Triggers.

Bei der angegebenen Schaltung kann die Schwellspannung fix auf 0 V geschaltet werden, indem der negative Eingang des Operationsverstärkers auf 0 V (Masse) gelegt wird. In digitalen Schaltungen legt man die Mitte zwischen den Schaltschwellen auf die halbe Versorgungsspannung (2,5 V bei 5 V Versorgungsspannung) oder mitten in den „verbotenen Bereich“ der Logikpegel (ca. 1,4 V).

Präzisions-Schmitt-Trigger

Mit einem Präzisions-Schmitt-Trigger ist es im Gegensatz zu den bisher dargestellten mitgekoppelten Schaltungen möglich, die Schaltschwellen unabhängig voneinander genau einzustellen. Er kann aus zwei Komparatoren und einem nachgeschaltenen RS-Flipflop aufgebaut werden. Die Schaltschwellen können beispielsweise mit Hilfe von Spannungsteilern eingestellt werden. Der eine Komparator vergleicht die Eingangsspannung mit der oberen Schaltschwelle und schaltet das Flipflop beim Überschreiten dieser Schwelle in den Gesetzt-Zustand; der andere Komparator vergleicht die Eingangsspannung mit der unteren Schaltschwelle und setzt das Flipflop beim Unterschreiten dieser Schwelle zurück. Zum Aufbau eines Präzisions-Schmitt-Triggers eignet sich beispielsweise der integrierte Baustein NE521, der zwei Komparatoren und zusätzlich zwei NAND-Gatter enthält, die sich zu einem Flipflop verschalten lassen.  ^[1]

Diskreter Schaltungsaufbau

Ein Schmitt-Trigger kann auch als diskrete Schaltung mit MOSFETs bzw. bipolaren Transistoren realisiert werden. In den nachfolgenden Abbildungen sind dafür Schaltungsbeispiele angegeben.

Schmitt-Trigger in CMOS-Technologie.

Realisierung eines Schmitt-Triggers mit Hilfe zweier Transistoren. (Nicht-Invertierend)

Anwendung

Werden digitale Signale über lange Kabelstrecken übertragen, werden die Signalflanken bei Fehlanpassung wegen der Tiefpasscharakteristik und auch bei korrekter Anpassung aufgrund der Dispersion verschliffen. Ein Schmitt-Trigger erzeugt für nachfolgende Schaltungsteile wieder steile Signalflanken und eindeutige Signalpegel.

Aus einem invertierenden Schmitt-Trigger, einem Widerstand als Rückführung und einem Kondensator parallel zum Eingang (RC-Glied) lässt sich ein einfacher Oszillator aufbauen (relaxation oscillator), der bei genügend schnellen Halbleiterelementen bis in den UKW-Frequenzbereich hinein Schwingungen erzeugen kann.

Schmitt-Trigger mit vorgeschaltetem Tiefpass (RC-Glied) lassen sich zum Entprellen von Tasten und anderen Kontakten einsetzen. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes muss dabei größer sein als die maximale Prellzeit (meist einige Millisekunden). Entprellung ist erforderlich, wenn eine Digitalschaltung mittels einer mechanischen Taste bei jedem Tastendruck einen Befehl ausführen soll. Ist die Taste nicht entprellt, werden bei Tastendruck mehrere Befehle ausgeführt, da der logische Pegel im Schaltmoment noch mehrmals wechselt. Entprellung ist statt mit Hardware auch mit Software möglich.

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiterschaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, 2002, ISBN 3-540-42849-6, S. 612–615.

Weblinks

 Commons: Schmitt-Trigger – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Vom Operationsverstärker bis zum Schmitt-Trigger, kontinuierlich einstellbar.
• Vom Fensterkomparator zum Präzisions-Schmitt-Trigger
• 230-VAC-Netzfrequenzsynchronisation mit dem CMOS-555-Timer-IC als Schmitt-Trigger
• Operationsverstärker I

Fußnoten

1. ↑ FH Oldenburg. Kippschaltungen mit Komparatoren. (PDF, 212 kB)