2. - LES BASCULES DE SCHMITT

2. 1. - DÉFINITION ET FONCTION

Une transition d'un niveau logique L à un niveau logique H, appliquée à l'entrée d'un inverseur, peut être schématisée comme indiqué à la figure 28.

Schématisé ainsi, il apparaît que les signaux présents à l'entrée et à la sortie de l'inverseur présentent des fronts bien droits, c'est-à-dire que la tension varie instantanément d'un état logique à l'état logique complémentaire.

Or, ceci est une vision purement théorique. Les signaux réels s'éloignent de cette représentation théorique et appliqués au même circuit logique, auraient la forme représentée à la figure 29.

Il apparaît donc qu'un signal logique met un certain temps (ici t2 - t1) pour passer d'un état logique à un autre.

Une deuxième remarque s'impose. Si l'on se réfère à la figure 30-a, il apparaît que la tension présente des variations dues aux parasites ou aux «bruits».

Ces derniers sont définis comme des perturbations ou des variations de tension à petite échelle sur un signal électrique.

Un buffer peut être défini comme un amplificateur de courant, c'est-à-dire un circuit conservant la forme du signal et augmentant la puissance disponible à sa sortie.

Ce buffer présente, par exemple, un seuil de basculement égal à Vcc / 2, comme représenté à la figure 30-a. Or, le signal d'entrée possède des perturbations. En sortie, le signal logique n'est donc pas stable mais présente des oscillations comme représenté à la figure 30-b.

En effet, les oscillations indésirables à l'entrée franchissent à plusieurs reprises le seuil de basculement du buffer.

Il a donc été nécessaire de concevoir des circuits logiques qui puissent palier ces deux types d'inconvénients.

Ce sont les bascules de Schmitt ou encore triggers de Schmitt. L'idée fondamentale est de créer deux seuils de basculement, l'un sur le front montant d'un signal, l'autre sur le front descendant de ce signal. Ceci est représenté à la figure 31.

A l'instant t1, la tension présente à l'entrée atteint le seuil de basculement VT+, la sortie passe très rapidement du niveau logique L au niveau logique H, bien que le seuil VT+ soit franchi plusieurs fois au cours des oscillations présentes à l'entrée du trigger.

Au cours du front descendant, c'est à l'instant t2 que le signal d'entrée franchit le seuil de basculement VT-. La sortie passe alors très rapidement du niveau logique H au niveau logique L.

Les deux instants de basculement sont les deux instants où le signal franchit pour la première fois le seuil considéré. Il est évident que plus la différence (VT+) - (VT-) est importante, plus ce circuit sera fiable et insensible aux fluctuations parasites superposées au signal originel. Cet écart de tension entre les deux seuils est appelé hystérésis. C'est une caractéristique propre à un trigger de Schmitt. Le cycle d'hystérésis est représenté à la figure 32.

Les flèches sur ce schéma indiquent le sens de parcours des tensions à l'entrée et à la sortie du trigger.

Il apparaît clairement que la sortie passe du niveau L au niveau H dès que le seuil VT+ est franchi à l'entrée de la bascule (flèche bleue). De même, il faut que la tension d'entrée descende à VT- pour que la sortie passe du niveau H au niveau L (flèche rouge).

La différence (VT+) - (VT-) constitue également la «marge de bruit» qui est l'écart de tension qu'un signal peut avoir sans entraîner d'incident particulier sur le fonctionnement d'un circuit. La figure 33 présente l'allure d'un signal présent à l'entrée d'une bascule de Schmitt.

A un moment donné, l'entrée a franchi le seuil VT+, la sortie est donc au niveau H.

On aperçoit les perturbations du signal d'entrée, mais ce signal n'atteint jamais le seuil VT-, donc l'entrée est considérée en permanence à l'état H.

Le symbole suivant () indique qu'un circuit logique possède un cycle d'hystérésis.

Des exemples sont donnés à la figure 34.

2. 2. - RÉALISATIONS PRATIQUES DES TRIGGERS DE SCHMITT

2. 2. 1. - TRIGGER DE BASE

Dans le trigger de la figure 35, deux résistances R1 et R2 sont associées à un buffer.

Les deux résistances sont montées en pont diviseur de tension. L'entrée du buffer a une résistance très élevée, de l'ordre de quelques dizaines de MW (en technologie CMOS). L'effet de ce buffer sera donc négligé sur le pont diviseur de tension. Pour cela, R1 et R2 auront des valeurs assez grandes. Par exemple, R1 = 22 kW et R2 = 100 kW.

Dans ce cas, nous avons la relation suivante :

Appliquons à l'entrée E le signal indiqué à la figure 36.

Au départ, V1 = Vu = 0 volt. Au fur et à mesure que V1 augmente, la tension d'entrée du buffer Vo augmente aussi et Vu reste nulle. En effet, il faut que Vo atteigne Vcc / 2 pour que la sortie S bascule au niveau H.

La tension V1 nécessaire au basculement du buffer est la tension de seuil supérieur VT +.

A partir de la relation précédente, exprimons cette tension V1 de basculement.

Juste avant le basculement, la tension Vo est donc égale à Vcc / 2 et la tension de sortie Vu est encore nulle. Remplaçons Vo et Vu par leur valeur dans l'équation .

La tension V1 de basculement que l'on appelle VT+ est donc donnée par la relation .

Si l'on remplace dans le cas présent R1 et R2 par leur valeur et sachant que la tension d'alimentation est de 5 volts, on obtient une tension de basculement de :

Ceci est donc la valeur du seuil supérieur.

Tant que la tension V1 restera supérieure à la tension de seuil inférieur VT-, la sortie S restera au niveau H (donc à la tension Vcc).

Quand la tension d'entrée V1 redescend, le buffer bascule au niveau L pour Vo = Vcc / 2.

Calculons donc VT- à l'aide de l'équation en remplaçant Vo par Vcc / 2 et Vu par Vcc.

d'où :                                        

On obtient la relation :

Remplaçons R1, R2 et Vcc par leur valeur numérique :

Le seuil inférieur est donc de 1,95 volt.

L'hystérésis vaut (VT+) - (VT-) = 3,05 - 1,95 = 1,1 volt.

Il serait par ailleurs possible d'augmenter la valeur de l'hystérésis en prenant une valeur pour R1 supérieure à 22 kW.

2. 2. 2. - TRIGGER RÉALISÉ AVEC DES PORTES NAND

Ici, nous n'utilisons pas de résistances. Ce trigger est représenté à la figure 37. Il comprend trois portes NAND à trois entrées réalisées en technologie CMOS. Le fonctionnement de ce trigger utilise la propriété suivante : la tension du seuil de basculement est fonction du nombre d'entrées reliées ensemble sur lesquelles est appliqué le signal de commande. Ce seuil sera d'autant plus élevé qu'il y aura d'entrées reliées ensemble.

A l'état de repos, l'entrée E et la sortie S sont au niveau logique L. Quand la tension à l'entrée augmente et atteint VT+, la porte 1 commute, l'entrée SET passe au niveau L et la sortie S au niveau H.

Quand la tension à l'entrée E redescend et franchi le seuil VT-, la porte 3 commute et sa sortie passe au niveau H. La sortie S commute également et repasse au niveau L. Donc ce montage est bien un trigger possédant deux seuils de basculement VT+ et VT-. L'hystérésis (VT+) - (VT-) vaut environ 1 / 3 de Vcc soit 1,66 volt pour Vcc = 5 volts.

Si l'on veut réduire l'hystérésis à 1 / 6 de Vcc, il faut réunir seulement deux entrées de la porte 1. Ceci est indiqué à la figure 38.

Ainsi, le seuil VT+ est diminué.

Ce circuit particulier est souvent utilisé comme bascule de Schmitt disponible sous forme de circuit intégré de la famille CMOS.

2. 3. - APPLICATIONS DES BASCULES DE SCHMITT

Les applications des bascules de Schmitt sont nombreuses et quelques-unes ont déjà été traitées. C'est le cas lorsqu'il s'agit de débarrasser certains signaux rectangulaires de parasites ou d'améliorer des fronts montants ou descendants qui varient trop lentement.

Dans le chapitre 3, le trigger sera présenté dans un montage astable.

2. 3. 1. - TRANSFORMATION D'UNE SINUSOÏDE EN UN SIGNAL RECTANGULAIRE

Le montage est celui indiqué à la figure 39. A l'entrée est appliqué un signal sinusoïdal de fréquence F. A la sortie, on obtient un signal rectangulaire de fréquence identique F. Les deux résistances R1 et R2 constituent un pont diviseur de tension et C est un condensateur qui sert à découpler le signal d'entrée par rapport à l'entrée du trigger de Schmitt.

Si l'on veut obtenir un signal carré à la sortie, on choisira de fixer une tension V1 qui soit égale à (VT+) - (VT-) / 2. Ceci apparaît clairement à la figure 40.

Ce montage peut servir à convertir une tension sinusoïdale produite par une génératrice tachymétrique en un train d'ondes possédant une fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation de la génératrice.

2. 3. 2. - CIRCUIT ANTI-REBOND

Dans le montage présenté à la figure 41, il s'agit de délivrer une impulsion de tension sans que se manifeste un phénomène de rebond à la fermeture du contact.

A la fermeture de l'interrupteur, il y a rebondissement des contacts, mais le condensateur C limite les variations de potentiel au point Vc et l'hystérésis du trigger permet de conserver le niveau logique H en sortie.

2. 3. 3. - DÉTECTEUR DE LUMIÈRE

Le montage de la figure 42 permet de détecter un certain seuil de lumière pour commander, par exemple, l'extinction d'une lampe.

F est une résistance photosensible dont la valeur diminue quand la lumière augmente.

Arrivé à un certain seuil d'éclairement, le point A dépasse le seuil VT+ du trigger de Schmitt et la sortie bascule au niveau logique L.

Même si l'intensité lumineuse subit de légères fluctuations, la sortie reste au niveau L.

Ce montage fonctionne également dans le sens inverse. Quand l'intensité lumineuse diminue, le point A franchit le potentiel VT- et la sortie repasse au niveau H.