施密特触发器延时电路（还不会设计晶体管施密特触发器）

大家好，我是李工，创作不易，希望大家多多支持我。今天给大家分享的是晶体管施密特触发电路设计。

主要是关于：

• 1、晶体管搭建的施密特触发器
• 2、如何设计晶体管施密特触发电路？
• 3、怎么改进晶体管施密特触发电路

一、施密特触发器有什么作用？

施密特触发器是一个决策电路，用于将缓慢变化的模拟信号电压转换为2 种可能的二进制状态之一，具体取决于模拟电压是高于还是低于预设阈值。

二、不能用 CMOS 来设计施密特触发器吗？

CMOS器件

CMOS 器件可以用来设计施密特触发器，但是不能选择阈值电压，只能在有限的电源电压范围内工作，例如：4HC14 在 5v 下运行，阈值通常为 2.4v 和 1.8v。

或者你也可以使用比较器芯片，通过额外的分立电阻定义阈值。

74 CH14

如果你需要处理嘈杂或者失真的数字信号，可以使用 CMOS 器件。但如果你要求不寻常的电压或者精确的阈值，就需要设计一个特殊的电路。

三、双晶体管施密特触发器及其工作原理

假设输入电压 Vi 接近于 0，T1 没有基极电流，所以 T1 处于关闭状态。T2 通过 R1和 RA 汲取基极电流，因此 T2 处于开启状态（并且根据设计，T2 是饱和的 - 集电极-发射极电压 Vce 接近于零），因此 Vo 位于由下式形成的分压器的中点 R2 & RE，介于 V 和地之间。

双晶体管施密特触发器

现在假设 Vi 开始增加，T1 的发射极电压由流入 T2 的电流保持固定，因此当 Vi 达到高于该值 0.6v（称为VP）时，T1 将吸收一些基极电流并开始导通。

这个时候，T1 开始使 T2 缺乏基极电流，因此 T2 开始关闭，因此其发射极电压开始下降。但这会增加 T1 的基极-发射极电压，因此 T1 会更快地开启。正反馈使电路进入 T1 开启（并且设计为饱和）而 T2 关闭的状态，Vo 现在靠近 V。

最后，假设 Vi 开始回落到 0，T1 的发射极电压现在由其自身的发射极电流控制。当 Vi下降到高于该值约 0.6v 时（称为 Vn ），T1 将开始关闭，这允许 T2 再次开始开启，将其自己的发射极电流添加到 T1 的，从而向上推动发射极电压。这迫使 T1 更快地关闭，并且正反馈再次使电路快速进入其他状态，T1 关闭，T2 开启。

阈值和电流

这里需要强调一下重要的设计约束。假设 Vi 从零开始缓慢上升，并达到 T1 开启的阈值。该阈值 ( VP ) 由流经 Re 的 T2 的发射极电流设置。一旦 Vi 达到 VP，T2 就关闭，通过 RE 的电流现在通过 T1。

假设该电流大于来自T2 的电流。如果是这样，T1 的发射极电压会在 T1 开启时突然升高。但随后 T1 会突然发现其基极电压 ( Vi ) 现在小于其新的发射极电压，并会立即关闭。但随后它的发射极电压会再次下降，因此它会再次开启。换句话说，电路会振荡。

因此，必须确保 T1 中的电流（I1）小于 T2 中的电流（I2），否则电路将无法工作。

并且由此得出，T2 再次开启的阈值（Vn ）必须低于 VP。这两个阈值之间的差异被称为电路的“滞后”，类似于变压器铁芯中发生的情况。

四、如何设计晶体管施密特触发器？

设计一个电路来数字化这种嘈杂和失真的信号，提供 5v 和 24v 的电源轨，输出信号必须与在 5v 下运行的数字逻辑兼容。

如果可以调整输入信号以适应 5v 电压轨，则可以使用基于 CMOS 逻辑（例如 HC14）的施密特触发器，也可以使用比较器。

但这里显而易见的方法是使用 24v 电源轨的基于晶体管的设计，我主要会选择几个容易获得的 30v npn 开关。

1、确定阈值 VP

从波形上看，它可能应该在 12 或 13v 左右。

2、选择 在T2 中流动的电流

较低的值可以节省能源，但意味着集电极负载电阻的值较高，这可能会减慢开关边沿。

现在在 T2 选择 3 mA ，那么发射极电阻 RE ： [12v / 3mA] = 4k，使用 3.9kΩ。

接下来，R2： [(24v - 12v) / 3mA] = 4k，这里使用 3.9kΩ。

电流电压计算公式

3、选择 T1 的集电极电流，从而选择较低的阈值电压VN

噪声尖峰比较麻烦，I1： [9v / 3.9kΩ] = 2.3 mA 时，将目标设置为 9 或 10v 左右，这将产生大约 4v 的滞后。

R1：[(24v - 9v) / 2.3mA] = 6.5k，使用 6.2 kΩ。

R3 限制 T1 的最大基极电流，最大基极电流可以为： [2.3mA / 30] = 77μA（因为晶体管的电流增益不会低于 30）。

R3： [(24v - 9v) / 77μA] = 194k，使用 180kΩ。（假设电路由零阻抗电压源驱动，如果不是，则可以从 R3 中减去源阻抗。）

RA & RB：RA 用于在 T1 关闭时限制 T 2的基极电流，而 RB 确保不受温度影响。

这两个电阻形成一个分压器，它必须将 T2 的基极设置为（例如）12.6v，T1 关闭，并吸收明显高于 T2 基极电流的电流，该电流不能超过 [3mA / 30] = 100μA。

选择通过 RA 和 RB 的泄放电流为 500μA 左右，使其远大于 T2 的基极电流。

那么如果 R1 为 0 ，RA RB ：[24v / 0.5mA] = 48kΩ。

分压器中点为 12.6v，[ RB / ( RA RB )] = [12.6v / 24v] = 0.53，这意味着 RB = 1.1 RA。

RB： [48k x 1.1/2.1] = 25k ；RA： [48k - 25k] = 23k。

但是 R1 不是零，而是 6.2kΩ，因此 RA 的实际值为 [23k - 6k] = 17k。因此，将值四舍五入，因为更多的电流无关紧要。

RA = 15kΩ 和 RB = 22kΩ。

五、晶体管施密特触发器

现在，所有的值都确定，就可以大概开始设计，电路按预期工作，在 12v 和 8v 下切换。

双晶体管施密特触发器（初始设计图）

双晶体管施密特触发器仿真模拟图

该电路的输出从大约 13v 摆动到 24v，而规范说输出电平应该是 0v 和 5v，因此 我需要添加一个由 5v 电源轨供电的电平转换晶体管来解决这个问题。

最简单的解决方案是添加一个 pnp 逆变器，并且在 15kΩ 电阻 R6（即 RA）上包括一个电容（4.7 或 10nF），使电路开关更快、更干净——输出边沿的上升和下降时间约为 500 纳秒。

双晶体管施密特触发器最终设计如下图所示：

双晶体管施密特触发器最终设计

最终这个电路使用了 3 个晶体管和 9 个电阻，1 个电容。这13个组件占 了很大的PCB面积，可能组装成本也会比较高，应该会有更好的解决方案。

晶体管施密特触发器改进电路

1、晶体管数量不变，电阻数量减少，有效地利用 PNP晶体管的增益

最初的晶体管电路实际上只是具有正反馈的长尾对，像这样画出来，并从第三个 (pnp) 晶体管 T3 获取反馈，就得到了下图所示的电路。它的工作原理与之前的电路类似，只是现在更有效地利用了 pnp 晶体管的增益。

晶体管施密特触发器改进电路

这里使用更少的电阻 - 其中一个仅用于将输出摆幅限制在所需的 5v。

和之前一样，当输入电压 Vi 接近于零时，T1 没有基极电流，所以它处于关闭状态。T2开启（使RC短路），T3 也是如此，输出 Vo 为高电平。

随着 Vi 上升，迟早它会达到足以让T1 开始开启的值。这必须在 T1 的基极电压略高于 T2时发生。RA 和 RB 形成一个分压器，定义 T2 的基极电压，这两个电阻定义了上限阈值VP。

当 T1 打开时，它会关闭T2和T3，输出Vo下降到接近零（假设RC足够大）。

现在假设 Vi 开始下降。当 T1 的基极电压降至刚好低于T2时， T1将再次关闭。该电压由分压器RC - RA - RB​固定，并且可以设置在零（如果RC =∞）和VP之间的任何位置。

上述电路的一大优点是 VP和 VN 都由分压器定义，因为它们将在基于比较器的解决方案中。

2、晶体管数量减少，将两个方案合二为一，组件减少 （9个）

最初的设计解决方案过于复杂（13 个组件），因为它分两个阶段解决了问题——首先制造施密特触发器，然后安装电平转换器。

晶体管施密特触发器改进电路

将这两个阶段合二为一并比用 pnp 类型替换 npn 晶体管更简单，该解决方案仅使用 9 个组件。

该电路（几乎）与原始电路完全相同，只是交换了 24v 和接地。

原电路中 13v 和 24v 的输出电平现在变为 11v 和0v，规范要求 5v 和 0v，所以我只需要大约一半的可用输出摆幅，我可以通过为 R2A和 R2B 选择合适的值来获得。

3、使用 COMS器件 74CH14 来代替

如果你看到这里的话，应该知道施密特触发电路是如何工作的，并且知道如何设计一个施密特触发器以及怎么去调整。

如果你还想简化电路的话，你可以考虑下面这种方法。当然这并不是一个容易的问题，关键还是取决于你设计的系统类型。

如果输入信号相对较大，并且你要求 VP 和VN 必须相距很远（例如，为了抑制干扰噪声）并且系统已经包含分立元件，则基于晶体管的解决方案可能是 COMS器件。

具体的可以看下面这个电路，设计示例可以通过下面这个简单的电路来解决，但是实际效果怎么样，需要看在实践中的效果。

晶体管施密特触发器改进电路

以上就是关于 晶体管施密特触发器设计的知识，希望大家多多支持我，得点赞，关注，有问题欢迎在评论区留言，大家一起讨论。

参考来源：johnhearfield，原文链接：http://www.johnhearfield.com/index.html

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