「シュミットトリガ」の版間の差分

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m (ヒステリシス→履歴効果)
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'''シュミットトリガ''' ('''Schmitt trigger''')とは、入力[[電位]]の変化に対して出力状態が[[ヒステリシス|履歴効果]]を持って変化することを特徴とする、[[デジタル回路]]の入力回路方式である。
 
== 概説 ==
[[画像:Smitt hysteresis graph.svg|thumb|200px|入力Uに対する出力の比較。Aは単純なコンパレータ出力、Bはシュミットトリガの出力]]
入力信号に対する[[しきい値|閾値]]を2つ持ち、入力信号の電位が高いしきい値を超えたときに論理Hの電位を出力し、逆に入力信号の電位が低いしきい値を下回ったときに論理Lの電位を出力する。入力信号が低いしきい値と高いしきい値の間にあるときは直前の出力電位を保持する。入力信号が高低のしきい値を超えることをきっかけとして出力が切り替わることから「トリガ」と呼ばれる。
 
この2つのしきい値による動作は[[ヒステリシス|履歴効果]]と呼ばれるが、一般に履歴効果ヒステリシスは状態の記憶にあたるので、シュミットトリガは[[メモリ|記憶装置]]の一種であると考えることができる。
 
電子回路におけるシュミットトリガの最大の役割は、入力信号の揺らぎ([[ノイズ|雑音]])を除去することにある。しきい値が1つだけの回路では、入力信号がしきい値付近で揺らぐと出力が高速に変動する(雑音ノイズが増幅される)。シュミットトリガでは1つのしきい値をまたいだ瞬間にもう1つのしきい値が適用されることになるため、入力が少々揺らいだ程度では出力が変化しない。
 
[[画像:Schmitt trigger symbol.svg|left|80px]]電子回路図では左の記号が用いられる。三角の記号は緩衝器バッファ(信号増幅器)を表し、中の記号が履歴効果ヒステリシスを持つことを示している。単独の回路素子として用いられるのではなく、他の回路の入力部分がシュミットトリガになっている場合には、その入力信号線の所に小さく履歴効果ヒステリシス記号を描いて示すこともある。
 
== 発明 ==
シュミットトリガは、[[イカ]]の[[神経]]をつかった神経系の研究の成果の一つであった。当初は"Thermionic Trigger"と名付けられていたが、後に"Schmitt Trigger"として商標登録された。
 
== 比較器コンパレータによる構成 ==
[[画像:Opampschmitt_xcircuit.svg|thumb|200px|コンパレータで構成したシュミットトリガ]]
[[画像:Hysteresis_sharp_curve.svg|thumb|200px|ヒステリシスカーブ]]
シュミットトリガ回路は、[[比較器コンパレータ]]([[オペアンプ|演算増幅器]])に正帰還をかけることで実現できる。
 
比較器コンパレータ非反転+入力(+)反転-入力(-)の電位差を大きく増幅して飽和させたものを出力する。すなわち、非反転+入力が反転-入力よりも高い電位にあるとき高電位が出力され、非反転+入力が反転-入力以下の電位であるときには低電位が出力される。
 
この出力を抵抗R<sub>2</sub>で非反転+入力に帰還する。出力が高電位(V<sub>S</sub>)のときには、非反転+入力にはV<sub>S</sub>と入力電圧V<sub>in</sub>の差をR<sub>2</sub>とR<sub>1</sub>で分圧した電圧が入力されることとなる。この電位が-入力である接地電位(0V)を下回るまでの間は出力はV<sub>S</sub>のままであるが、この境界となる電圧は、
V<sub>in</sub>/R<sub>1</sub>+V<sub>S</sub>/R<sub>2</sub> = 0
∴ V<sub>in</sub> = -V<sub>S</sub>・R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>
となる。V<sub>in</sub>が一度この電圧を下回れば出力が低電位(-V<sub>S</sub>)になるため、今度は非反転+入力には-V<sub>S</sub>と入力電圧V<sub>in</sub>の差をR<sub>2</sub>とR<sub>1</sub>で分圧した電圧が入力されることとなる。このとき非反転+入力が反転-入力(0V)より大きくなる条件は、
V<sub>in</sub>/R<sub>1</sub>-V<sub>S</sub>/R<sub>2</sub> = 0
∴ V<sub>in</sub> = V<sub>S</sub>・R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>
すなわち、この回路では0Vを中心とする±V<sub>S</sub>(R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>)の範囲内に入力信号がある間は出力を保持するヒステリシス回路となっている。入力電圧と出力電圧の関係を示す右図においては、M = V<sub>S</sub>が論理Hを、-M = -V<sub>S</sub>が論理Lを示し、±T = V<sub>S</sub>(R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>)がしきい値となっている。
[[画像:Opampschmitt_realistic_xcircuit.svg|thumb|200px|より実用的なシュミットトリガ回路]]
実際には右図のように回路の動作を安定させるための素子が付加されることが多い。右図の回路では出力電圧を[[ツェナーダイオード]]で制限し、電源電圧の変動に対して強くなるように工夫されている。R<sub>3</sub>はツェナーダイオードに流れ込む比較器のコンパレータ出力電流を制限するためのものであり、R<sub>4</sub>は比較器コンパレータ反転-入力から漏れ出る電流に対応するものである。
 
論理Lに接地電位以下(負の電圧)を使わずに、接地電位を論理Lとするためには、非反転-入力と出力にオフセット電圧を加えればよい。
 
== トランジスタによる構成 ==
 
== 発振器としての利用 ==
シュミットトリガは、弛張型の[[発振回路]]として使うことができる。シュミットトリガの出力を論理反転し、抵抗と[[コンデンサ]]による信号遅延回路を通して自身の入力に接続すると、発振するのである。出力部に緩衝器バッファ用のトランジスタがついている都合で反転出力になっているシュミットトリガを用いる場合、出力と入力を1本の抵抗で結び、入力と接地線の間にコンデンサを1個入れるだけでよい。
 
[[標準ロジックIC]]ではパッケージングの都合などにより数個の反転シュミットトリガが1つのIC内に入っていることが多い(7414など)。このとき、本来のシュミットトリガとして使わない(余った)部分を流用し、たった2個の外付け部品だけで発振回路として使えるので、便利である。