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在上一節(jié) 運(yùn)放教程1-入門(mén) 中，我們學(xué)習(xí)了運(yùn)放的基礎(chǔ)知識(shí)、運(yùn)放比較器電路，知道了該電路是一個(gè)無(wú)反饋（開(kāi)環(huán)）運(yùn)放電路。今天我們來(lái)繼續(xù)學(xué)習(xí)運(yùn)放。
問(wèn)題
下面是一個(gè)輸入信號(hào)接在反相輸入引腳，參考電壓為 1 伏的運(yùn)放比較器電路：
下面是上面電路的波形圖：
可以看到，當(dāng)輸入信號(hào)大于 1 伏時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)輸入信號(hào)小于 1 伏時(shí)，輸出為高電平。
我們給信號(hào)加點(diǎn)干擾，看看會(huì)怎么樣：
可以看到，隨著輸入信號(hào)噪音的逐漸增加，輸出信號(hào)最終出現(xiàn)了雜波：
我們?nèi)绾谓鉀Q上面的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)即使輸入信號(hào)有一定的干擾，也不會(huì)導(dǎo)致輸出出現(xiàn)跳變？
施密特觸發(fā)器電路
我們可以使用一種叫做施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）的運(yùn)放電路來(lái)解決上面的問(wèn)題:
下面是輸入與輸出的關(guān)系動(dòng)畫(huà)：
上圖中，移動(dòng)的黑點(diǎn)表示輸入信號(hào)，移動(dòng)的綠點(diǎn)表示輸出信號(hào)，紅點(diǎn)表示 LTP, 藍(lán)點(diǎn)表示 UTP, 注意觸發(fā)點(diǎn)在 Vin 超過(guò)了 UTP 后發(fā)生了跳變。
施密特觸發(fā)器電路中用電阻 R2 將輸出和運(yùn)放同相輸入引腳連接了起來(lái)，這會(huì)將輸出信號(hào)反饋到運(yùn)放的輸入引腳。在這里輸出被反饋到同相引腳，屬于正反饋，如果將輸出反饋到反相引腳，則是負(fù)反饋。運(yùn)放施密特觸發(fā)器電路屬于一種正反饋電路。
由于輸出電壓 Vout 將會(huì)在正飽和電壓 Sat（接近正電源電壓Vcc）和 負(fù)飽和電壓(接近負(fù)電源點(diǎn)Vee)之間來(lái)回切換，并且 Vout 通過(guò)由 R1 和 R2 構(gòu)成的電阻分壓器反饋到參考電壓。所以參考電壓將會(huì)在兩個(gè)不同的值之間來(lái)回切換，所以最終會(huì)有兩個(gè)觸發(fā)點(diǎn)，而不是只有一個(gè)觸發(fā)點(diǎn)。當(dāng)只有一個(gè)觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，如果輸入信號(hào)上有噪音，會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)在觸發(fā)點(diǎn)附近來(lái)回跳變，這會(huì)引起輸出信號(hào)來(lái)回跳變。
假設(shè)開(kāi)始時(shí) Vin 為零伏，然后它逐漸增加接近上觸發(fā)點(diǎn)。一旦 Vin 超過(guò)這個(gè)上觸發(fā)點(diǎn)，Vout 將會(huì)立即從高電平變?yōu)榈碗娖?，這也同時(shí)改變了參考電壓，使參考電壓變?yōu)樨?fù)值，即下觸發(fā)點(diǎn)（LTP）。此時(shí)如果輸入信號(hào)在上限觸發(fā)電壓（UTP）附近來(lái)回跳變，只要這個(gè)跳變不超過(guò)下觸發(fā)點(diǎn)（LTP）, 那么輸出信號(hào) Vout 不會(huì)改變，一直是低電平：
參考電壓變?yōu)橄孪抻|發(fā)電壓（LTP）后，要想讓輸出電壓 Vout 重新變?yōu)楦唠娖剑斎胄盘?hào) Vin 得一路下降到低于 LTP 才行：
上圖中，移動(dòng)的黑點(diǎn)表示輸入信號(hào)，移動(dòng)的紅點(diǎn)或藍(lán)點(diǎn)表示輸出信號(hào)。
一旦 Vin 下降到 LTP 以下，那么輸出電壓會(huì)變成高電平，同時(shí)，參考電壓也會(huì)變成上限觸發(fā)電壓 UTP。
總結(jié)：
當(dāng)觸發(fā)電壓為 UTP 時(shí)，在輸入信號(hào)逐漸變大的過(guò)程中，一旦其值超過(guò) UTP, 則觸發(fā)電壓會(huì)變?yōu)?LTP，此時(shí)輸入信號(hào)如果在 UTP 附近跳動(dòng)，只要不低于 LTP, 不會(huì)引起輸出變動(dòng)；
當(dāng)觸發(fā)電壓為 LTP 時(shí)，在輸入信號(hào)逐漸變小的過(guò)程中，一旦其值低于 LTP, 則觸發(fā)電壓會(huì)變?yōu)?UTP， 此時(shí)輸入信號(hào)如果在 LTP 附近跳動(dòng)，只要不超過(guò) UTP, 不會(huì)引起輸出變動(dòng)。
舉個(gè)例子
上圖電路中，運(yùn)放電源為正負(fù) 12 伏。由一個(gè) 1kΩ 電阻和 11kΩ 電阻組成分壓電路。上限觸發(fā)電壓為 1 伏，下限觸發(fā)電壓為 -1 伏。
坐標(biāo)系中藍(lán)線表示輸入信號(hào)。其值從低于 -1 伏開(kāi)始逐漸增加，此時(shí)輸出為高電平，觸發(fā)電平為 UTP(1伏)。當(dāng)輸入信號(hào)逐漸增加并且超過(guò) LTP 時(shí)，輸出無(wú)變化。再增加，一旦其值超過(guò) UTP 時(shí)，輸出電平會(huì)迅速?gòu)母唠娖阶優(yōu)榈碗娖剑瑫r(shí)，參考電壓由較大的 UTP 變?yōu)檩^小的 LTP, 此后，即使輸入信號(hào)有很強(qiáng)的噪音，導(dǎo)致其值在 UTP 附近上下抖動(dòng)，但由于此時(shí)參考電壓已經(jīng)變?yōu)榱溯^小的 LTP, 輸出電平不會(huì)變動(dòng)。
非對(duì)稱(chēng)閾值
上面的電路中，兩個(gè)觸發(fā)電平是在 0 伏附近的。如果想讓兩個(gè)觸發(fā)電平不在零伏附近，需要用3個(gè)電阻, 電路圖如下：
觸發(fā)電平計(jì)算公式如下：
網(wǎng)上有一個(gè)反相施密特觸發(fā)器計(jì)算器，可以根據(jù)輸入的上下限觸發(fā)電壓計(jì)算電路中需要的電阻值，網(wǎng)址是：
https://www.random-science-tools.com/electronics/inverting-schmitt-trigger-calculator.htm
這里，假設(shè)我們想讓上限電壓為 1.1 伏，下限觸發(fā)電壓為 0.9 伏，參考電壓就用正電源電壓 9 伏，輸入后計(jì)算結(jié)果如下：
它計(jì)算出的電阻為：
R1 = 16kΩ
R2 = 2kΩ
R3 = 160kΩ
調(diào)試后，我使用下面的參數(shù)：
R1=20k
R2=2.7k
R3=180k
在電路板上組裝后，測(cè)得波形如下：
可以看到 UTP = 1.07伏，LTP = 0.69 V。帶有如此大噪音的輸入信號(hào)并沒(méi)有引起輸出意外跳變，問(wèn)題得到解決。
總結(jié)
今天我們一起了學(xué)習(xí)了正反饋運(yùn)放電路，即反相施密特觸發(fā)器電路。知道了該電路可以產(chǎn)生兩個(gè)觸發(fā)電壓，進(jìn)而解決輸入信號(hào)的噪音引起的輸出意外跳變的問(wèn)題。
該電路是人類(lèi)智慧的一次集中體現(xiàn)，向先行者 Otto Herbert Schmitt（1934年發(fā)明施密特觸發(fā)器電路） 致敬！
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