还不会设计晶体管施密特触发器？不要错过，电路设计步骤+电路图

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。

74CH14

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R2RE，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。

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30vnpn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3mA，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]=2.3mA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6.2kΩ。

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。）

RARB：RA用于在T1关闭时限制T2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=1.1RA。

RB：[48/2.1]=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

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

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