施密特觸發(fā)器不同于前述的各類觸發(fā)器，它具有下述特點： 

u       屬于電平觸發(fā)，對于緩慢變化的信號仍然適用，當(dāng)輸入信號達(dá)到某一定電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。

u       輸入信號增加和減少時，電路有不同的閾值電壓，它具有如圖6.17所示的傳輸特性。

圖6.17 施密特電路的傳輸特性

在模擬電路中，曾經(jīng)討論過由集成運(yùn)放構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（帶正反饋的遲滯比較器），下面介紹數(shù)字技術(shù)中常用的施密特觸發(fā)器。

一、門電路組成的施密特觸發(fā)器

由CMOS門組成的施密特觸發(fā)器如圖6.18所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(a)電路           　　  　      (b)圖形符號

　　　　　　　　　　　　　　　　圖6.18 CMOS反相器組成的施密特觸發(fā)器

電路中兩個CMOS反相器串接，分壓電阻R1 、R2 將輸出端的電壓反饋到輸入端對電路產(chǎn)生影響。

假定電路中CMOS反相器的閾值電壓  ,  且輸入信號  為三角波，其電路的工作過程如下。

 門的輸入電平  決定著電路的狀態(tài)，根據(jù)疊加原理有

               =         

當(dāng)  =0V時，  門截止，  門導(dǎo)通，輸出端  V。此時  »0V。輸入從0V電壓逐漸增加，只要  ,則電路保持  V不變。當(dāng)  上升使得  ,時，使電路產(chǎn)生如下正反饋過程：

這樣，電路狀態(tài)很快轉(zhuǎn)換為  ，此時  的值即為施密特觸發(fā)器在輸入信號正向增加時的閾值電壓，稱為正向閾值電壓，用  表示。此時

                           »           

所以                      =(1+            

當(dāng)  時，電路狀態(tài)維持  不變。

 繼續(xù)上升至最大值后開始下降，當(dāng)  時，電路產(chǎn)生如下正反饋過程：                         

這樣電路又迅速轉(zhuǎn)換為  V的狀態(tài)，此時的輸入電平為  減小時的閾值電壓，稱為負(fù)向閾值電壓，用  表示。此時有      = 

將  =2  代入可得

                               »                    

只要滿足  <  ，施密特電路就穩(wěn)定在  V的狀態(tài)。

定義回差電壓為                      

上式表明，電路回差電壓與  /  成正比，改變R1 ,R2 的比值即可調(diào)節(jié)回差電壓的大小。

電路的工作波形及傳輸特性如圖6.19所示。

            

（a）工作波形          　　　　　　　　　（b） 傳輸特性曲線

圖6.19  施密特觸發(fā)器工作波形及傳輸特性曲線

二、集成施密特觸發(fā)器

集成施密特觸發(fā)器性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛，下面以CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106(見圖6.20)為例介紹其工作原理。

  

                   (a) 電路圖                      　　　　　　　　　  （b）傳輸特性曲線         (c)邏輯符號

圖6.20  CMOS集成施密特觸發(fā)器電路

由圖可見，電路由施密特電路、整形及和緩沖輸出級組成，其核心部分為施密特電路。

u       施密特電路

施密特電路由P溝道MOS管  ~  、N溝道MOS管  ~  組成，設(shè)P溝道MOS管的開啟電壓為  ,N溝道MOS管開啟電壓為  ,輸入信號  為三角波。

當(dāng)  =0時，  、  導(dǎo)通，  、  截止，電路中  為高電平（  ），  。  的高電平同時使  截止，  導(dǎo)通且工作于源極輸出狀態(tài)。  的源極電位，  ,該電位較高。

 電位逐漸升高，當(dāng)  >  時  先導(dǎo)通，而  源極電壓  較大，即使  >  /2，  仍不能導(dǎo)通，直至繼續(xù)升高至  、  趨于截止時，隨著其內(nèi)阻增大， 和  才開始相應(yīng)減少。當(dāng)  -  ³  時，  導(dǎo)通，并引起如下正反饋過程：

于是  、  迅速截止，  為低電平，電路輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換為  。

 的低電平使  截止、  導(dǎo)通且工作于源極輸出器狀態(tài)，  的源極電壓  。同理可分析，當(dāng)  逐漸下降時，電路工作過程與  上升過程類似，只有當(dāng)∣ -  ∣>∣  ∣時，電路又轉(zhuǎn)換為  為高電平，   的狀態(tài)。

在  »  的條件下，電路的正向閾值電壓  且隨著  增加而增加。在  下降過程中的負(fù)向閾值電壓  。

由上述分析可知，電路在  上升和下降過程分別有不同的兩個閾值電壓，具有施密特電壓傳輸特性。其傳輸特性如6.20圖b所示。

u       整形級

整形級由  、  、  、  組成，電路為兩個首尾相連的反相器。在  上升和下降過程中，利用兩級反相器的正反饋作用可使輸出波形有陡直的上升沿和下降沿。

u       輸出級

    輸出極為  和  組成的反相器，它不僅能起到與負(fù)載隔離的作用，而且提高了電路帶負(fù)載能力。

三、施密特觸發(fā)器的作用

施密特觸發(fā)器的用途很廣，其典型應(yīng)用舉例如下：

u       用于波形變換

利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正負(fù)反饋作用，可以把邊沿變換緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。

在圖6.21的例子中，輸入信號是由直流分量和正弦分量疊加而成的，只要輸入信號的幅度大于  ，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同頻率的矩形脈沖信號。

圖6.21 用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換

u       用于脈沖整形

數(shù)字系統(tǒng)中矩形脈沖經(jīng)傳輸后會發(fā)生波形畸變。下圖(a)波形的上升沿和下降沿明顯變壞是由于傳輸線上電容較大。下圖(b)波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象是因為傳輸線較長且接收端的阻抗與傳輸線阻抗不匹配。下圖(c)信號上出現(xiàn)附加的噪聲是因為其他脈沖信號通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號上。

                   (a)                     　　　　(b)              　　　　　 　(c)

圖6.22 用施密特觸發(fā)器對脈沖整形

無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特觸發(fā)器整形而獲得比較理想的矩形脈沖波形。由圖可見，只要施密特觸發(fā)器的  和V  設(shè)置得合適，均能收到滿意的整形效果。

u       用于脈沖鑒幅

由圖6.23可見，若將一系列幅度各異的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，只有那些幅度大于  的脈沖才會在輸出端產(chǎn)生輸出信號。因此，施密特觸發(fā)器能將幅度大于 的脈沖選出，具有脈沖鑒幅的能力。

圖6.23 用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度

u       構(gòu)成多諧振蕩器

利用施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器。其電路如圖6.24所示。接通電源瞬間，電容C上

           

圖6.24 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器            圖6.25  圖6.24的波形

的電壓為0V，輸出  為高電平。  通過電阻R對電容C充電，當(dāng)  達(dá)到  時，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出為低電平，此后電容C又開始放電，  下降，當(dāng)  下降到  時，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始地形成振蕩。其輸入、輸出波形如圖6.25所示。若在圖6.24中采用的是CMOS施密特觸發(fā)器，且  ，根據(jù)圖6.25的電壓波形得到振蕩周期計算公式為         

    當(dāng)采用TTL施密特觸發(fā)器（例如7414）時，電阻R不能大于470W，以保證輸入端能夠達(dá)到負(fù)向閾值電平。R的最小值由門的扇出數(shù)確定（不得小于100W）。對于典型的參數(shù)值（  =0. 8V,  =1.6V輸出電壓擺幅為3V），其輸出的振蕩頻率為： 

最大可能的振蕩頻率為10MHZ