Schmitt-Trigger

Übertragungsfunktion eines Schmitt-Triggers. Die horizontale und die vertikale Achse sind die Eingangsspannung bzw. die Ausgangsspannung. T und -T sind die Schaltschwellen, und M und -M sind die Ausgangsspannungspegel. ⓘ

In der Elektronik ist ein Schmitt-Trigger eine Komparatorschaltung mit Hysterese, die durch Anlegen einer positiven Rückkopplung an den nichtinvertierenden Eingang eines Komparators oder Differenzverstärkers realisiert wird. Es handelt sich um eine aktive Schaltung, die ein analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal umwandelt. Die Schaltung wird als Trigger bezeichnet, weil der Ausgang seinen Wert beibehält, bis der Eingang sich ausreichend ändert, um eine Änderung auszulösen. In der nicht-invertierenden Konfiguration ist der Ausgang hoch, wenn das Eingangssignal einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Wenn der Eingang unter einem anderen (niedrigeren) Schwellenwert liegt, ist der Ausgang niedrig, und wenn der Eingang zwischen diesen beiden Werten liegt, behält der Ausgang seinen Wert bei. Diese doppelte Schwellenwertfunktion wird als Hysterese bezeichnet und bedeutet, dass der Schmitt-Trigger ein Gedächtnis besitzt und als bistabiler Multivibrator (Latch oder Flip-Flop) fungieren kann. Es besteht eine enge Beziehung zwischen den beiden Schaltungen: Ein Schmitt-Trigger kann in ein Latch umgewandelt werden und ein Latch kann in einen Schmitt-Trigger umgewandelt werden. ⓘ

Schmitt-Trigger-Geräte werden in der Regel in der Signalverarbeitung eingesetzt, um Rauschen aus Signalen zu entfernen, die in digitalen Schaltungen verwendet werden, insbesondere mechanisches Kontaktprellen in Schaltern. Sie werden auch in Konfigurationen mit geschlossenem Regelkreis und negativer Rückkopplung verwendet, um Relaxationsoszillatoren zu realisieren, die in Funktionsgeneratoren und Schaltnetzteilen eingesetzt werden. ⓘ

Vergleich der Wirkung eines gewöhnlichen Komparators (A) und eines Schmitt-Triggers (B) auf ein verrauschtes analoges Eingangssignal (U). Die grün gestrichelten Linien sind die Schaltschwellen der Schaltung. Der Schmitt-Trigger neigt dazu, Rauschen aus dem Signal zu entfernen. ⓘ

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. Der Schmitt-Trigger stellt im erweiterten Begriff eine Kippstufe dar. ⓘ

Schaltsymbol für Schmitt-Trigger. ⓘ

Schaltsymbole für einen
invertierten Schmitt-Trigger. ⓘ

Verwendet wird ein Schmitt-Trigger zur Erzeugung binärer Signale mit steilen Signalflanken oder um eindeutige Schaltzustände aus einem analogen, mit Störeinkopplungen belasteten Eingangssignalverlauf zu gewinnen. Weitere Anwendungsbeispiele sind (in Verbindung mit einem RC-Glied) das Entprellen von Schaltern oder die Schwingungserzeugung (Kippschwinger). ⓘ

Erfindung

Der Schmitt-Trigger wurde 1934 von dem amerikanischen Wissenschaftler Otto H. Schmitt während seines Studiums erfunden und später in seiner Dissertation (1937) als thermionischer Trigger beschrieben. Er war ein direktes Ergebnis von Schmitts Studie über die Ausbreitung von Nervenimpulsen in Tintenfischnerven. ⓘ

Umsetzung

Grundlegende Idee

Blockschaltbild einer Schmitt-Trigger-Schaltung. Es handelt sich um ein System mit positiver Rückkopplung, bei dem das in den Eingang zurückgeführte Ausgangssignal den Verstärker A veranlasst, schnell von einem gesättigten Zustand in den anderen zu wechseln, wenn der Eingang einen Schwellenwert überschreitet.
A > 1 ist die Verstärkung des Verstärkers
B < 1 ist die Übertragungsfunktion der Rückkopplung ⓘ

Schaltungen mit Hysterese beruhen auf einer positiven Rückkopplung. Jede aktive Schaltung kann als Schmitt-Trigger eingesetzt werden, indem eine positive Rückkopplung eingesetzt wird, so dass die Schleifenverstärkung größer als eins ist. Die positive Rückkopplung wird eingeführt, indem ein Teil der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung addiert wird. Diese Schaltungen enthalten ein Dämpfungsglied (das Kästchen B in der Abbildung rechts) und einen Addierer (der Kreis mit dem "+" darin) zusätzlich zu einem Verstärker, der als Komparator fungiert. Es gibt drei spezifische Techniken zur Umsetzung dieser allgemeinen Idee. Bei den ersten beiden handelt es sich um duale Versionen (in Reihe und parallel) des allgemeinen positiven Rückkopplungssystems. Bei diesen Konfigurationen erhöht die Ausgangsspannung die effektive Differenzeingangsspannung des Komparators durch "Absenken der Schwelle" oder durch "Erhöhen der Schaltungseingangsspannung"; die Schwellen- und Speichereigenschaften sind in einem Element vereint. Bei der dritten Technik sind die Schwellenwert- und Speichereigenschaften getrennt. ⓘ

Dynamischer Schwellenwert (Serienrückkopplung): Wenn die Eingangsspannung den Schwellenwert in einer bestimmten Richtung überschreitet, ändert die Schaltung selbst ihren eigenen Schwellenwert in die entgegengesetzte Richtung. Zu diesem Zweck subtrahiert er einen Teil seiner Ausgangsspannung vom Schwellenwert (dies ist gleichbedeutend mit der Addition der Spannung zur Eingangsspannung). Somit beeinflusst der Ausgang den Schwellenwert und nicht die Eingangsspannung. Diese Schaltungen werden durch einen Differenzverstärker mit "serieller positiver Rückkopplung" realisiert, bei dem der Eingang mit dem invertierenden Eingang und der Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden ist. Bei dieser Anordnung sind Dämpfung und Summierung getrennt: Ein Spannungsteiler wirkt als Dämpfungsglied und die Schleife als einfacher Serienspannungssummierer. Beispiele sind der klassische emittergekoppelte Schmitt-Trigger mit Transistoren, der invertierende Schmitt-Trigger mit Op-Amps usw. ⓘ

Modifizierte Eingangsspannung (parallele Rückkopplung): Wenn die Eingangsspannung den Schwellenwert in einer bestimmten Richtung überschreitet, ändert die Schaltung ihre Eingangsspannung in der gleichen Richtung (jetzt addiert sie einen Teil ihrer Ausgangsspannung direkt zur Eingangsspannung). Die Ausgangsspannung erhöht also die Eingangsspannung und hat keinen Einfluss auf den Schwellenwert. Diese Schaltungen können durch einen unsymmetrischen, nicht invertierenden Verstärker mit "paralleler positiver Rückkopplung" realisiert werden, bei dem die Eingangs- und die Ausgangsquellen über Widerstände mit dem Eingang verbunden sind. Die beiden Widerstände bilden einen gewichteten Parallelsommer, der sowohl die Dämpfung als auch die Summierung beinhaltet. Beispiele sind der weniger bekannte kollektorbasisch gekoppelte Schmitt-Trigger, der nicht invertierende Schmitt-Trigger des Operationsverstärkers usw. ⓘ

Einige Schaltungen und Elemente mit negativem Widerstand können ebenfalls in ähnlicher Weise wirken: negative Impedanzwandler (NIC), Neonröhren, Tunneldioden (z. B. eine Diode mit einer "N"-förmigen Strom-Spannungs-Kennlinie im ersten Quadranten), usw. Im letztgenannten Fall führt ein oszillierender Eingang dazu, dass sich die Diode von einem ansteigenden Schenkel des "N" zum anderen und wieder zurück bewegt, wenn der Eingang die ansteigenden und abfallenden Schaltschwellen überschreitet. ⓘ

Zwei unterschiedliche unidirektionale Schwellenwerte werden in diesem Fall zwei separaten Komparatoren mit offener Schleife (ohne Hysterese) zugewiesen, die einen bistabilen Multivibrator (Latch) oder ein Flip-Flop steuern. Der Trigger wird auf "high" geschaltet, wenn die Eingangsspannung die obere Schwelle überschreitet, und auf "low", wenn die Eingangsspannung die untere Schwelle überschreitet. Auch hier gibt es eine positive Rückkopplung, die jedoch nur in der Speicherzelle konzentriert ist. Beispiele sind der 555-Timer und die Schalter-Entprellungsschaltung. ⓘ

Ein Symbol für einen Schmitt-Trigger mit einer nicht-invertierenden Hysteresekurve, die in einen Puffer eingebettet ist. Schmitt-Trigger können auch mit invertierenden Hysteresekurven dargestellt werden und können von Blasen gefolgt sein. Die Dokumentation des jeweiligen Schmitt-Triggers muss konsultiert werden, um festzustellen, ob es sich um einen nichtinvertierenden (d. h., positive Ausgangsübergänge werden durch positive Eingänge verursacht) oder invertierenden (d. h., positive Ausgangsübergänge werden durch negative Eingänge verursacht) Trigger handelt. ⓘ

Das Symbol für Schmitt-Trigger in Schaltplänen ist ein Dreieck mit einem Symbol im Inneren, das seine ideale Hysteresekurve darstellt. ⓘ

Transistor-Schmitt-Trigger

Klassische emittergekoppelte Schaltung

Schmitt-Trigger, realisiert durch zwei emittergekoppelte BJT-Stufen. ⓘ

Der ursprüngliche Schmitt-Trigger basiert auf der Idee der dynamischen Schwelle, die durch einen Spannungsteiler mit einem umschaltbaren oberen Schenkel (den Kollektorwiderständen R_C1 und R_C2) und einem konstanten unteren Schenkel (RE) realisiert wird. Q1 fungiert als Komparator mit einem Differenzeingang (Q1 Basis-Emitter-Verbindung), der aus einem invertierenden (Q1 Basis) und einem nichtinvertierenden (Q1 Emitter) Eingang besteht. Die Eingangsspannung wird an den invertierenden Eingang angelegt; die Ausgangsspannung des Spannungsteilers wird an den nichtinvertierenden Eingang angelegt und bestimmt so dessen Schwellenwert. Der Komparatorausgang steuert die zweite Kollektorstufe Q2 (ein Emitterfolger) über den Spannungsteiler R₁-R₂. Die emittergekoppelten Transistoren Q1 und Q2 bilden einen elektronischen Umschalter, der die oberen Schenkel des Spannungsteilers umschaltet und den Schwellenwert in eine andere Richtung (als die Eingangsspannung) ändert. ⓘ

Diese Konfiguration kann als Differenzverstärker mit serieller positiver Rückkopplung zwischen dem nichtinvertierenden Eingang (Basis von Q2) und dem Ausgang (Kollektor von Q1) betrachtet werden, der den Übergangsprozess erzwingt. Außerdem gibt es eine kleinere Gegenkopplung, die durch den Emitterwiderstand RE eingeführt wird. Um die positive Rückkopplung gegenüber der negativen zu dominieren und eine Hysterese zu erreichen, wird das Verhältnis zwischen den beiden Kollektorwiderständen R_C1 > R_C2 gewählt. Somit fließt bei eingeschaltetem Q1 weniger Strom und der Spannungsabfall an RE ist geringer als bei eingeschaltetem Q2. Infolgedessen hat die Schaltung zwei unterschiedliche Schwellenwerte in Bezug auf Masse (V- im Bild). ⓘ

Betrieb

Ausgangszustand. Für die rechts dargestellten NPN-Transistoren stellen wir uns vor, dass die Eingangsspannung unter der gemeinsamen Emitterspannung liegt (hoher Schwellenwert), so dass der Basis-Emitter-Übergang von Q1 in Sperrrichtung vorgespannt ist und Q1 nicht leitet. Die Basisspannung von Q2 wird durch den erwähnten Teiler bestimmt, so dass Q2 leitet und der Triggerausgang im Low-Zustand ist. Die beiden Widerstände R_C2 und RE bilden einen weiteren Spannungsteiler, der die obere Schwelle bestimmt. Vernachlässigt man V_BE, so beträgt der obere Schwellenwert etwa ⓘ

$V_{\mathrm {HT} }={\frac {R_{\mathrm {E} }}{R_{\mathrm {E} }+R_{\mathrm {C2} }}}{V_{+}}$. ⓘ

Die Ausgangsspannung ist niedrig, liegt aber deutlich über Masse. Sie entspricht ungefähr dem oberen Schwellenwert und ist möglicherweise nicht niedrig genug, um für die nächsten digitalen Schaltungen eine logische Null zu sein. Dies kann eine zusätzliche Verschiebungsschaltung nach der Triggerschaltung erfordern. ⓘ

Überschreiten der oberen Schwelle. Wenn die Eingangsspannung (Q1-Basisspannung) etwas über die Spannung am Emitterwiderstand RE (die obere Schwelle) ansteigt, beginnt Q1 zu leiten. Seine Kollektorspannung sinkt und Q2 beginnt sich abzuschalten, da der Spannungsteiler nun eine niedrigere Q2-Basisspannung liefert. Die gemeinsame Emitterspannung folgt dieser Änderung und sinkt, so dass Q1 stärker leitet. Der Strom beginnt vom rechten Schenkel der Schaltung zum linken zu fließen. Obwohl Q1 mehr leitet, fließt weniger Strom durch RE (da R_C1 > R_C2); die Emitterspannung sinkt weiter und die effektive Basis-Emitter-Spannung von Q1 steigt kontinuierlich an. Dieser lawinenartige Prozess setzt sich fort, bis Q1 vollständig durchgeschaltet (gesättigt) und Q2 ausgeschaltet ist. Der Trigger geht in den High-Zustand über und die Ausgangsspannung (Kollektor von Q2) liegt nahe bei V+. Nun bilden die beiden Widerstände R_C1 und RE einen Spannungsteiler, der die untere Schwelle bestimmt. Sein Wert beträgt ungefähr ⓘ

$V_{\mathrm {LT} }={\frac {R_{\mathrm {E} }}{R_{\mathrm {E} }+R_{\mathrm {C1} }}}{V_{+}}$. ⓘ

Er kreuzt die untere Schwelle ab. Wenn die Eingangsspannung unter die untere Schwelle sinkt, beginnt Q1 mit dem Abschalten, da der Auslöser nun auf "high" steht. Sein Kollektorstrom sinkt; infolgedessen sinkt die gemeinsame Emitterspannung leicht und die Kollektorspannung von Q1 steigt deutlich an. Der Spannungsteiler R₁-R₂ überträgt diese Änderung auf die Basisspannung von Q2 und dieser beginnt zu leiten. Die Spannung an RE steigt an, wodurch das Basis-Emitter-Potenzial von Q1 auf dieselbe lawinenartige Weise weiter sinkt, und Q1 hört auf zu leiten. Q2 wird vollständig durchgeschaltet (gesättigt) und die Ausgangsspannung wird wieder niedrig. ⓘ

Variationen

Symbol für einen invertierenden Schmitt-Trigger durch Darstellung einer invertierten Hysteresekurve in einem Puffer. Andere Symbole zeigen eine Hysteresekurve (die invertierend oder nicht invertierend sein kann), die in einen Puffer eingebettet ist, gefolgt von einer Blase, was dem traditionellen Symbol für einen digitalen Inverter ähnelt, das einen Puffer gefolgt von einer Blase zeigt. Im Allgemeinen ist die Richtung des Schmitt-Triggers (invertierend oder nicht invertierend) nicht unbedingt aus dem Symbol ersichtlich, da selbst bei ein und demselben Hersteller verschiedene Konventionen verwendet werden. Es gibt mehrere Faktoren, die zu einer solchen Mehrdeutigkeit führen. Diese Umstände können eine genauere Untersuchung der Dokumentation für jeden einzelnen Schmitt-Trigger rechtfertigen. ⓘ

Nicht-invertierende Schaltung. Der klassische nicht-invertierende Schmitt-Trigger kann in einen invertierenden Trigger umgewandelt werden, indem V_out von den Emittern statt von einem Q2-Kollektor abgenommen wird. In dieser Konfiguration ist die Ausgangsspannung gleich der dynamischen Schwelle (der gemeinsamen Emitterspannung) und beide Ausgangspegel bleiben von den Versorgungsschienen entfernt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Last die Schwellenwerte verändert und daher hoch genug sein muss. Der Basiswiderstand RB ist obligatorisch, um den Einfluss der Eingangsspannung über den Basis-Emitter-Übergang von Q1 auf die Emitterspannung zu verhindern. ⓘ

Direkt gekoppelte Schaltung. Um die Schaltung zu vereinfachen, kann der Spannungsteiler R₁-R₂ weggelassen werden, so dass der Kollektor von Q1 direkt mit der Basis von Q2 verbunden wird. Der Basiswiderstand RB kann ebenfalls weggelassen werden, so dass die Eingangsspannung direkt die Basis von Q1 ansteuert. In diesem Fall sind die gemeinsame Emitterspannung und die Q1-Kollektorspannung nicht für die Ausgänge geeignet. Nur der Kollektor von Q2 sollte als Ausgang verwendet werden, denn wenn die Eingangsspannung den hohen Schwellenwert überschreitet und Q1 in die Sättigung geht, ist sein Basis-Emitter-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt und überträgt die Eingangsspannungsschwankungen direkt an die Emitter. Infolgedessen folgen die gemeinsame Emitterspannung und die Kollektorspannung von Q1 der Eingangsspannung. Diese Situation ist typisch für übergesteuerte Transistor-Differenzverstärker und ECL-Gates. ⓘ

Kollektor-Basis-gekoppelte Schaltung

Eine bistabile Kollektor-Basis-gekoppelte BJT-Schaltung kann in einen Schmitt-Trigger umgewandelt werden, indem ein zusätzlicher Basiswiderstand an eine der Basen angeschlossen wird ⓘ

Wie jede Verriegelung besitzt auch die grundlegende bistabile Schaltung mit Kollektor-Basis-Kopplung eine Hysterese. Daher kann sie in einen Schmitt-Trigger umgewandelt werden, indem ein zusätzlicher Basiswiderstand R an einen der Eingänge angeschlossen wird (in der Abbildung die Basis von Q1). Die beiden Widerstände R und R₄ bilden einen parallelen Spannungssommer (der Kreis im obigen Blockdiagramm), der die Ausgangsspannung (Kollektor von Q2) und die Eingangsspannung summiert und den Eintakt-Transistor "Komparator" Q1 ansteuert. Wenn die Basisspannung den Schwellenwert (V_BE0 ∞ 0,65 V) in einer bestimmten Richtung überschreitet, wird ein Teil der Kollektorspannung von Q2 in der gleichen Richtung zur Eingangsspannung addiert. Somit verändert der Ausgang die Eingangsspannung durch eine parallele positive Rückkopplung und beeinflusst nicht den Schwellenwert (die Basis-Emitter-Spannung). ⓘ

Vergleich zwischen emitter- und kollektorgekoppelter Schaltung

Die emittergekoppelte Version hat den Vorteil, dass der Eingangstransistor in Sperrichtung vorgespannt ist, wenn die Eingangsspannung deutlich unter der hohen Schwelle liegt, so dass der Transistor sicher abgeschaltet wird. Dies war wichtig, als Germaniumtransistoren für die Schaltung verwendet wurden, und dieser Vorteil hat ihre Beliebtheit bestimmt. Der Basiswiderstand am Eingang kann weggelassen werden, da der Emitterwiderstand den Strom begrenzt, wenn der Basis-Emitter-Übergang am Eingang in Durchlassrichtung vorgespannt ist. ⓘ

Bei einem emittergekoppelten Schmitt-Trigger ist der logische Null-Ausgangspegel möglicherweise nicht niedrig genug, so dass eine zusätzliche Ausgangsverschiebungsschaltung erforderlich ist. Der kollektorgekoppelte Schmitt-Trigger hat einen extrem niedrigen Ausgangspegel (fast Null) bei logisch Null. ⓘ

Op-Amp-Implementierungen

Schmitt-Trigger werden in der Regel mit einem Operationsverstärker oder einem speziellen Komparator implementiert. Ein Open-Loop-Operationsverstärker und Komparator kann als analog-digitales Gerät mit analogen Eingängen und einem digitalen Ausgang betrachtet werden, der das Vorzeichen der Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen extrahiert. Die positive Rückkopplung erfolgt, indem ein Teil der Ausgangsspannung in Reihe oder parallel zur Eingangsspannung addiert wird. Aufgrund der extrem hohen Verstärkung des Operationsverstärkers ist auch die Schleifenverstärkung hoch genug und sorgt für den lawinenartigen Prozess. ⓘ

Nicht-invertierender Schmitt-Trigger

Schmitt-Trigger, realisiert durch einen nicht-invertierenden Komparator ⓘ

In dieser Schaltung bilden die beiden Widerstände R₁ und R₂ einen parallelen Spannungssommer. Sie addieren einen Teil der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung und verstärken sie so während und nach dem Schalten, wenn die resultierende Spannung nahe der Masse liegt. Diese parallele positive Rückkopplung erzeugt die erforderliche Hysterese, die durch das Verhältnis zwischen den Widerständen von R₁ und R₂ gesteuert wird. Der Ausgang des parallelen Spannungssummers ist unsymmetrisch (er erzeugt eine Spannung in Bezug auf Masse), so dass die Schaltung keinen Verstärker mit einem Differenzeingang benötigt. Da herkömmliche Operationsverstärker einen Differenzeingang haben, wird der invertierende Eingang geerdet, damit der Bezugspunkt Null Volt beträgt. ⓘ

Die Ausgangsspannung hat immer das gleiche Vorzeichen wie die Eingangsspannung des Operationsverstärkers, aber nicht immer das gleiche Vorzeichen wie die Eingangsspannung der Schaltung (die Vorzeichen der beiden Eingangsspannungen können unterschiedlich sein). Wenn die Eingangsspannung des Schaltkreises über dem oberen Schwellenwert oder unter dem unteren Schwellenwert liegt, hat die Ausgangsspannung das gleiche Vorzeichen wie die Eingangsspannung des Schaltkreises (der Schaltkreis ist nicht invertierend). Die Schaltung funktioniert wie ein Komparator, der an einem anderen Punkt schaltet, je nachdem, ob der Ausgang des Komparators hoch oder niedrig ist. Wenn die Eingangsspannung der Schaltung zwischen den Schwellenwerten liegt, ist die Ausgangsspannung undefiniert und hängt vom letzten Zustand ab (die Schaltung verhält sich wie ein elementares Latch). ⓘ

Typische Übertragungsfunktion eines nicht-invertierenden Schmitt-Triggers wie die obige Schaltung. ⓘ

Befindet sich der Schmitt-Trigger beispielsweise gerade im High-Zustand, liegt der Ausgang an der positiven Stromversorgungsschiene (+VS). Die Ausgangsspannung V₊ des ohmschen Summers kann durch Anwendung des Überlagerungstheorems ermittelt werden:

$V_{\mathrm {+} }={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }+{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {s} }$ ⓘ

Der Komparator schaltet, wenn V₊=0. Dann ${R_{2}}\cdot V_{\mathrm {in} }=-{R_{1}}\cdot V_{\mathrm {s} }$ (das gleiche Ergebnis erhält man, wenn man den Stromerhaltungssatz anwendet). Also $V_{\text{in}}$ muss unter $-{\frac {R_{1}}{R_{2}}}{V_{s}}$ fallen, damit der Ausgang schaltet. Sobald der Komparatorausgang auf -VS geschaltet hat, wird der Schwellenwert $+{\frac {R_{1}}{R_{2}}}{V_{s}}$ um wieder auf High zu schalten. Diese Schaltung erzeugt also ein Schaltband, das auf Null zentriert ist, mit Triggerpegeln $\pm {\frac {R_{1}}{R_{2}}}{V_{s}}$ (es kann nach links oder rechts verschoben werden, indem eine Vorspannung an den invertierenden Eingang angelegt wird). Die Eingangsspannung muss über den oberen Rand des Bandes und dann unter den unteren Rand des Bandes ansteigen, damit der Ausgang ein- (Plus) und wieder ausgeschaltet wird (Minus). Wenn R₁ gleich Null oder R₂ gleich unendlich ist (d. h. ein offener Stromkreis), bricht das Band auf die Breite Null zusammen, und er verhält sich wie ein Standardkomparator. Die Übertragungskennlinie ist in der Abbildung links dargestellt. Der Wert der Schwelle T ist gegeben durch ${\frac {R_{1}}{R_{2}}}{V_{s}}$ und der Maximalwert des Ausgangs M ist die Versorgungsschiene. ⓘ

Eine praktische Schmitt-Trigger-Konfiguration mit präzisen Schwellenwerten ⓘ

Eine einzigartige Eigenschaft von Schaltungen mit paralleler positiver Rückkopplung ist der Einfluss auf die Eingangsquelle. In Schaltungen mit negativer paralleler Rückkopplung (z. B. bei einem invertierenden Verstärker) trennt die virtuelle Masse am invertierenden Eingang die Eingangsquelle vom Ausgang des Operationsverstärkers. Hier gibt es keine virtuelle Masse, und die konstante Ausgangsspannung des Operationsverstärkers wird über das Netzwerk R₁-R₂ an die Eingangsquelle angelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers leitet einen entgegengesetzten Strom durch die Eingangsquelle (er injiziert Strom in die Quelle, wenn die Eingangsspannung positiv ist, und er entnimmt Strom aus der Quelle, wenn sie negativ ist). ⓘ

Ein praktischer Schmitt-Trigger mit präzisen Schwellenwerten ist in der Abbildung rechts dargestellt. Die Übertragungskennlinie hat genau die gleiche Form wie bei der vorherigen Grundkonfiguration, und auch die Schwellenwerte sind die gleichen. Andererseits war die Ausgangsspannung im vorherigen Fall von der Stromversorgung abhängig, während sie jetzt durch die Zenerdioden definiert ist (die auch durch eine einzelne Doppelanoden-Zenerdiode ersetzt werden könnten). In dieser Konfiguration können die Ausgangspegel durch geeignete Wahl der Zener-Diode geändert werden, und diese Pegel sind resistent gegen Schwankungen der Stromversorgung (d. h. sie erhöhen die PSRR des Komparators). Der Widerstand R₃ ist dazu da, den Strom durch die Dioden zu begrenzen, und der Widerstand R₄ minimiert die durch die Eingangsleckströme des Komparators verursachte Eingangsspannungsabweichung (siehe Einschränkungen bei echten Operationsverstärkern). ⓘ

Invertierender Schmitt-Trigger

Schmitt-Trigger, implementiert durch einen invertierenden Komparator ⓘ

Bei der invertierenden Version sind die Dämpfung und die Summierung getrennt. Die beiden Widerstände R₁ und R₂ wirken nur als "reines" Dämpfungsglied (Spannungsteiler). Die Eingangsschleife wirkt als Seriensummierer, der einen Teil der Ausgangsspannung in Reihe zur Eingangsspannung der Schaltung addiert. Diese serielle positive Rückkopplung erzeugt die erforderliche Hysterese, die durch das Verhältnis zwischen den Widerständen von R₁ und dem Gesamtwiderstand (R₁ und R₂) gesteuert wird. Die an den Eingang des Operationsverstärkers angelegte Effektivspannung ist potentialfrei, so dass der Operationsverstärker einen Differenzeingang haben muss. ⓘ

Die Schaltung wird als invertierend bezeichnet, da die Ausgangsspannung immer ein entgegengesetztes Vorzeichen zur Eingangsspannung hat, wenn sie sich außerhalb des Hysteresezyklus befindet (wenn die Eingangsspannung über der oberen Schwelle oder unter der unteren Schwelle liegt). Liegt die Eingangsspannung jedoch innerhalb des Hysteresezyklus (zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert), kann die Schaltung sowohl invertierend als auch nicht invertierend sein. Die Ausgangsspannung ist undefiniert und hängt vom letzten Zustand ab, so dass sich die Schaltung wie eine elementare Verriegelung verhält. ⓘ

Um die beiden Versionen zu vergleichen, wird der Betrieb der Schaltung unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben betrachtet. Wenn sich der Schmitt-Trigger im High-Zustand befindet, liegt der Ausgang an der positiven Stromversorgungsschiene (+VS). Die Ausgangsspannung V₊ des Spannungsteilers ist:

$V_{\mathrm {+} }={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {s} }$ ⓘ

Der Komparator schaltet, wenn V_in = V₊. Daher muss $V_{\text{in}}$ muss also über dieser Spannung liegen, damit der Ausgang schaltet. Sobald der Komparatorausgang auf -VS geschaltet hat, wird der Schwellenwert $-{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}{V_{s}}$ um wieder auf High zu schalten. Diese Schaltung erzeugt also ein Schaltband, das auf Null zentriert ist, mit Triggerpegeln $\pm {\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}{V_{s}}$ (er kann nach links oder rechts verschoben werden, indem R₁ mit einer Vorspannung verbunden wird). Die Eingangsspannung muss über das obere Ende des Bandes und dann unter das untere Ende des Bandes ansteigen, damit der Ausgang ausschaltet (Minus) und wieder einschaltet (Plus). Wenn R₁ gleich Null ist (d. h. ein Kurzschluss) oder R₂ unendlich ist, kollabiert das Band auf die Breite Null, und er verhält sich wie ein Standardkomparator. ⓘ

Im Gegensatz zur parallelen Version wirkt sich diese Schaltung nicht auf die Eingangsquelle aus, da die Quelle durch die hohe Eingangsdifferenzimpedanz des Operationsverstärkers vom Ausgang des Spannungsteilers getrennt ist. ⓘ

Im invertierenden Verstärker bestimmt der Spannungsabfall am Widerstand (R1) die Referenzspannungen, d. h. die obere Schwellenspannung (V+) und die untere Schwellenspannung (V-) für den Vergleich mit dem angelegten Eingangssignal. Diese Spannungen sind als Ausgangsspannung und Widerstandswerte fest vorgegeben. ⓘ

Durch Ändern des Spannungsabfalls über (R1) können die Schwellenspannungen variiert werden. Durch Hinzufügen einer Vorspannung in Reihe mit dem Widerstand (R1) kann der Spannungsabfall an diesem Widerstand variiert werden, wodurch sich die Schwellenspannungen ändern können. Die gewünschten Werte der Referenzspannungen können durch Variation der Vorspannung erreicht werden. ⓘ

Die obigen Gleichungen können wie folgt geändert werden:

$V_{\pm }=\pm V_{s}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}+V_{b}{\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}$ ⓘ

Anwendungen

Schmitt-Trigger werden in der Regel in Konfigurationen mit offenem Regelkreis für die Störfestigkeit und in Konfigurationen mit geschlossenem Regelkreis zur Implementierung von Funktionsgeneratoren verwendet.

• Analog-Digital-Wandlung:   Der Schmitt-Trigger ist praktisch ein Ein-Bit-Analog-Digital-Wandler. Wenn das Signal einen bestimmten Pegel erreicht, schaltet er von seinem niedrigen auf seinen hohen Zustand um.
• Pegel-Erkennung:   Die Schmitt-Trigger-Schaltung ist in der Lage, eine Pegelerkennung durchzuführen. Bei dieser Anwendung muss die Hysteresespannung berücksichtigt werden, damit die Schaltung auf die erforderliche Spannung schaltet.
• Leitungsempfang:   Wenn eine Datenleitung, die möglicherweise Rauschen aufgenommen hat, in ein Logikgatter geleitet wird, muss sichergestellt werden, dass sich der logische Ausgangspegel nur ändert, wenn sich die Daten ändern, und nicht als Folge von möglicherweise aufgenommenem Störgeräusch. Die Verwendung eines Schmitt-Triggers ermöglicht es im Großen und Ganzen, dass das Rauschen von Spitze zu Spitze den Pegel der Hysterese erreicht, bevor es zu einer unerwünschten Auslösung kommen kann. ⓘ

Immunität gegen Rauschen

Eine Anwendung eines Schmitt-Triggers ist die Erhöhung der Störfestigkeit in einer Schaltung mit nur einer Eingangsschwelle. Bei nur einem Eingangsschwellenwert könnte ein verrauschtes Eingangssignal in der Nähe dieses Schwellenwerts dazu führen, dass der Ausgang allein durch Rauschen schnell hin und her schaltet. Ein verrauschtes Schmitt-Trigger-Eingangssignal in der Nähe eines Schwellenwerts kann nur einen Wechsel des Ausgangswerts bewirken, wonach es den anderen Schwellenwert überschreiten müsste, um einen weiteren Wechsel zu bewirken. ⓘ

So kann beispielsweise eine verstärkte Infrarot-Fotodiode ein elektrisches Signal erzeugen, das häufig zwischen seinem absolut niedrigsten und seinem absolut höchsten Wert wechselt. Dieses Signal wird dann durch einen Tiefpass gefiltert, um ein gleichmäßiges Signal zu bilden, das entsprechend der relativen Zeitspanne, in der das Schaltsignal ein- und ausgeschaltet ist, ansteigt und abfällt. Dieses gefilterte Ausgangssignal wird an den Eingang eines Schmitt-Triggers weitergeleitet. Der Nettoeffekt ist, dass der Ausgang des Schmitt-Triggers erst dann von niedrig auf hoch geht, wenn ein empfangenes Infrarotsignal die Fotodiode länger als eine bekannte Zeitspanne anregt, und wenn der Schmitt-Trigger einmal hoch ist, geht er erst dann auf niedrig, wenn das Infrarotsignal die Fotodiode nicht mehr länger als eine ähnliche bekannte Zeitspanne anregt. Während die Fotodiode anfällig für unerwünschte Schaltvorgänge aufgrund von Umgebungsgeräuschen ist, stellt die durch den Filter und den Schmitt-Trigger hinzugefügte Verzögerung sicher, dass der Ausgang nur dann schaltet, wenn das Gerät mit Sicherheit durch einen Eingang stimuliert wird. ⓘ

Schmitt-Trigger sind in vielen Schaltkreisen aus ähnlichen Gründen üblich (z. B. zur Entprellung von Schaltern). ⓘ

Liste von ICs mit Schmitt-Trigger-Eingang

Philips 74HCT14D, ein hexadezimaler invertierender Schmitt-Trigger

Die folgenden Bausteine der Serie 7400 enthalten einen Schmitt-Trigger an ihrem Eingang/ihren Eingängen: (siehe Liste der integrierten Schaltkreise der Serie 7400)

• 7413: Dualer Schmitt-Trigger NAND-Gate mit 4 Eingängen
• 7414: Hex-Schmitt-Trigger-Inverter
• 7418: Doppeltes Schmitt-Trigger-NAND-Gatter mit 4 Eingängen
• 7419: Hex-Schmitt-Trigger-Inverter
• 74121: Monostabiler Multivibrator mit Schmitt-Trigger-Eingängen
• 74132: Vierfacher 2-Eingangs-NAND-Schmitt-Trigger
• 74221: Zweifacher monostabiler Multivibrator mit Schmitt-Trigger-Eingang
• 74232: Vierfach-NOR-Schmitt-Trigger
• 74310: Oktalpuffer mit Schmitt-Trigger-Eingängen
• 74340: Oktalpuffer mit Schmitt-Trigger-Eingängen und invertierten Ausgängen mit drei Zuständen
• 74341: Oktalpuffer mit Schmitt-Trigger-Eingängen und nichtinvertierten Ausgängen mit drei Zuständen
• 74344: Oktalpuffer mit Schmitt-Trigger-Eingängen und nichtinvertierten Ausgängen mit drei Zuständen
• 74(HC/HCT)7541: Oktalpuffer mit Schmitt-Trigger-Eingängen und dreistufigen nichtinvertierten Ausgängen
• SN74LV8151 ist ein universeller 10-Bit-Schmitt-Trigger-Puffer mit 3-Zustands-Ausgängen

Eine Reihe von Bausteinen der Serie 4000 enthalten einen Schmitt-Trigger an ihren Eingängen: (siehe Liste der integrierten Schaltungen der Serie 4000)

• 4017: Dekadenzähler mit dekodierten Ausgängen
• 4020: 14-stufiger binärer Restwelligkeitszähler
• 4022: Oktalzähler mit dekodierten Ausgängen
• 4024: 7-stufiger binärer Restwelligkeitszähler
• 4040: 12-stufiger Binär-Riffelzähler
• 4093: Vierfach-NAND mit 2 Eingängen
• 4538: Zweifacher monostabiler Multivibrator
• 4584: Hex-invertierender Schmitt-Trigger
• 40106: Hex-Inverter

Konfigurierbare Single-Gate-Chips mit Schmitt-Eingang: (siehe Liste der integrierten Schaltungen der Serie 7400#One-Gate-Chips)

• NC7SZ57 Fairchild
• NC7SZ58 Fairchild
• SN74LVC1G57 Texas Instruments
• SN74LVC1G58 Texas-Instrumente ⓘ

Verwendung als Oszillator

Ausgangs- und Kondensatorwellenformen für einen komparatorbasierten Relaxationsoszillator ⓘ

Eine Schmitt-Trigger-basierte Implementierung eines Relaxationsoszillators ⓘ

Ein Schmitt-Trigger ist ein bistabiler Multivibrator und kann zur Implementierung einer anderen Art von Multivibrator, dem Relaxationsoszillator, verwendet werden. Dies wird erreicht, indem man eine einzelne RC-Integrationsschaltung zwischen den Ausgang und den Eingang eines invertierenden Schmitt-Triggers schaltet. Der Ausgang ist eine kontinuierliche Rechteckwelle, deren Frequenz von den Werten von R und C sowie den Schwellenwerten des Schmitt-Triggers abhängt. Da ein einziger integrierter Schaltkreis mehrere Schmitt-Trigger-Schaltungen bereitstellen kann (der CMOS-Baustein der 4000er Serie, Typ 40106, enthält z. B. 6 davon), kann ein freier Teil des ICs schnell als einfacher und zuverlässiger Oszillator mit nur zwei externen Bauteilen in Betrieb genommen werden. ⓘ

Hier wird ein komparatorbasierter Schmitt-Trigger in seiner invertierenden Konfiguration verwendet. Zusätzlich wird eine langsame Gegenkopplung mit einem integrierenden RC-Netzwerk hinzugefügt. Das Ergebnis, das rechts dargestellt ist, ist, dass der Ausgang automatisch von V_SS nach V_DD oszilliert, wenn sich der Kondensator von einer Schmitt-Trigger-Schwelle zur anderen auflädt. ⓘ

Invertierender Schmitt-Trigger

Monopolar

Es ist auch möglich, einen Operationsverstärker als Schmitt-Trigger asymmetrisch mit nur einer Versorgungsspannung gegen Masse zu betreiben. In diesem Fall schaltet der Ausgang zwischen 0 V (LOW-Pegel) und U_v (HIGH-Pegel). Die Referenzspannung U_r wird dann meist gleich der halben Versorgungsspannung U_v gewählt. ⓘ

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:

$R_{1}={{U_{v}-U_{1}} \over {U_{1}-U_{r}}}\cdot R_{2}$ ⓘ

Ferner gibt es Schmitt-Trigger in verschiedenen Logikgatter-Familien, bei denen die Schwellspannungen fest eingebaut sind. Beispielsweise für Typ 7414 liegen sie laut Datenblatt mit U_v = 5 V typisch bei 0,9 und 1,6 V, also mit einem „Tot-Band“ von typisch 0,8 V (mindestens 0,4 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 nachgeschalteten 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. Auch der NE555 hat einen eingebauten Präzisions-Schmitt-Trigger und kann ohne externe Kondensatoren als solcher verwendet werden. ⓘ

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) ⓘ

Die vier übereinander angeordneten MOS-Transistoren im linken Schaltbild realisieren einen gewöhnlichen Inverter. Man kann sich die jeweils gleichen Transistoren als einen Transistor mit Mittelanzapfung der Gate-Source-Strecke vorstellen. Die beiden rechten Transistoren, geschaltet vom Ausgangssignal, verändern durch „Bahnverkürzung“ der Gate-Source-Strecke die Schaltschwelle U_GS, so dass sich das gewünschte Verhalten ergibt. Die Einstellung der Schaltschwellen erfolgt konstruktiv durch die Dimensionierung der beteiligten MOS-Transistorstrukturen. ⓘ

Das rechte Schaltbild ähnelt einem zweistufigen, direkt gekoppelten, insgesamt nichtinvertierenden Analogverstärker. Der Unterschied ist der gemeinsame Emitterwiderstand R_E. Dieser realisiert die Mitkopplung und damit das gewünschte Schmitt-Trigger-Verhalten. Die Einstellung der Schaltschwellen erfolgt durch die Dimensionierung der Widerstände. ⓘ

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. ⓘ