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2026-01-15T20:45:17Z

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Der '''Schmitt-Trigger''', benannt nach seinem Erfinder [[Otto Schmitt (Erfinder)|Otto Schmitt]], der diesen 1934 noch als Student erfunden hat, ist eine [[Elektronik|elektronische]] [[Komparator (Analogtechnik)|Komparator]]-Schaltung, bei der die Ein- bzw. Ausschaltschwellen nicht zusammenfallen, sondern um eine bestimmte Spannung, die [[Hysterese|Schalthysterese]], gegeneinander versetzt sind. Der Schmitt-Trigger stellt im erweiterten Begriff eine Kippstufe dar.
[[Datei:Schmitt trigger symbol.svg|mini|[[Schaltsymbol]] für Schmitt-Trigger.]]
[[Datei:Schmitt trigger inverted symbol.svg|mini|Schaltsymbole für einen invertierten Schmitt-Trigger.]]
Verwendet wird ein Schmitt-Trigger zur Erzeugung [[Digitalsignal|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]]).

== Funktion ==
[[Datei:Smitt hysteresis graph.svg|mini|Ausgangssignal eines [[Komparator (Analogtechnik)|Komparators]] (A) im Vergleich zum Ausgangssignal eines Schmitt-Triggers (B).]]
Der Schmitt-Trigger arbeitet ähnlich einem analogen [[Komparator (Analogtechnik)|Komparator]], vergleicht aber zwischen einer Eingangsspannung und einer von ''zwei'' möglichen Schwellspannungen. Dadurch wird er zum [[Schwellenwertschalter]]: Bei Überschreiten der ''oberen'' Schwellspannung nimmt der Ausgang bei der nicht invertierenden Ausführung die maximal mögliche Ausgangsspannung (HIGH) an; als Binärzahl wird sie bei [[Positive Logik|Positiver Logik]] mit 1 kodiert, bei [[Negative Logik|Negativer Logik]] mit 0. Bei Unterschreiten der ''unteren'' Schwellspannung nimmt der Ausgang die minimal mögliche Ausgangsspannung (LOW) an. Ausgangsspannungen zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert kommen im statischen Betrieb nicht vor.

Umgekehrt beim ''invertierenden'' Schmitt-Trigger: Überschreitet die Eingangsspannung die obere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers, so kippt seine Ausgangsspannung vom maximalen Spannungswert auf den minimalen Spannungswert (LOW). Unterschreitet die Eingangsspannung anschließend die untere Schaltschwelle, so kippt die Ausgangsspannung zurück auf die maximale Ausgangsspannung (HIGH).

Die zwei Schaltschwellen liegen um eine Spannungsdifferenz auseinander, die [[Hysterese]] genannt wird. Bei einer Eingangsspannung zwischen den Schwellspannungen liegt die Ausgangsspannung auf HIGH oder LOW je nach der Vorgeschichte. Realisiert werden die zwei Schaltschwellen durch Rückwirkung ([[Mitkopplung]]) der binären Ausgangsspannung auf die eine Referenzspannung, wie sie vom Komparator bekannt ist. Die Hysterese lässt sich bei diskret aufgebauten Versionen eines Schmitt-Triggers durch [[Widerstand (Bauelement)|Widerstände]] im Aufbau festlegen. Sie kann dann von wenigen Millivolt bis über den Wert der Versorgungsspannung hinaus reichen. Bei Schmitt-Triggern, die als [[integrierter Schaltkreis]] ausgeführt sind, ist eine Veränderung dieser Schaltschwellen meist nicht möglich.

== Invertierender Schmitt-Trigger ==
=== Bipolar ===
[[Datei:Schmitttrigger nichtinvertierend.svg|mini|Schaltbild eines invertierenden Schmitt-Triggers mit Ue als Eingangsspannung und Ur als Referenzwert.]]
[[Datei:Schmitt kennlinie.png|mini|[[Kennlinie]] eines invertierenden Schmitt-Triggers.]]
[[Operationsverstärker]] und Komparatoren werden vielfach mit zwei Versorgungsspannungen unterschiedlichen Vorzeichens aber gleichen Betrags ''U''v betrieben. Die Ausgangsspannung
wird hier ebenfalls mit ''U''v angenommen. Bei realen Operationsverstärkern sollten jedoch die Grenzen der Aussteuerbarkeit des Ausgangs zur Berechnung von Größen eingesetzt werden, die in vielen Standardtypen um 1,3…2 V unterhalb der Versorgungsspannung liegen.

Das nebenstehende Schaltbild stellt einen mit einem Operationsverstärker aufgebauten invertierenden Schmitt-Trigger mit einstellbarer Referenzspannung in Form der Spannung ''U''r dar. In Schaltungen wird meist nur der Eingang, hier mit ''U''e gekennzeichnet, und der Ausgang mit ''U''a eingezeichnet. Die Mitkopplung wird dadurch erreicht, dass ein Teil der Ausgangsspannung über das [[Widerstandsnetzwerk]] zurück an den positiven (nicht-invertierenden) Eingang des Operationsverstärkers gelangt.

Die genauen Schaltschwellen ''U''1 und ''U''2 für das Ein- bzw. Ausschalten weichen von der von außen vorgegebenen Schwellspannung ''U''r aufgrund der Hysterese ab und lassen sich über folgende Gleichungen bestimmen:

:<math>U_1 = U_r + {R_2 \over {R_1+R_2}} \cdot (+U_v-U_r) = {{R_1 \cdot U_r + R_2 \cdot U_v} \over {R_1+R_2}}</math>

:<math>U_2 = U_r + {R_2 \over {R_1+R_2}} \cdot (-U_v-U_r) = {{R_1 \cdot U_r - R_2 \cdot U_v} \over {R_1+R_2}}</math>

Die nebenstehende [[Kennlinie]] eines invertierenden Schmitt-Triggers, dargestellt in der Eingangs- zu Ausgangsspannungs-Ebene, verdeutlicht die unterschiedlichen Schwellspannungen.

=== Monopolar ===
Es ist auch möglich, einen Operationsverstärker als Schmitt-Trigger asymmetrisch mit nur einer Versorgungsspannung gegen [[Masse (Elektronik)|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 ''U''1 und ''U''2 gegeben, so ist unabhängig von den Widerständen ''R''1 und ''R''2 zunächst die Referenzspannung ''U''r folgendermaßen zu wählen:

:<math>U_r = U_v \cdot {{U_1 + U_2} \over {2U_v + U_2 - U_1}}</math>

''R''2 kann frei gewählt werden und ''R''1 ergibt sich dann daraus:

:<math>R_1 = {{U_v - U_1} \over {U_1 - U_r}} \cdot R_2</math>

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).

== Nicht-invertierender Schmitt-Trigger ==
[[Datei:03 Noninverting Schmitttrigger.svg|mini|Schaltbild eines nicht invertierenden Schmitt-Triggers]]
Nebenstehend ist die Schaltung eines nicht-invertierenden Schmitt-Triggers dargestellt. Das Verhalten der Ausgangsspannung ist im Vergleich zu obiger Schaltung genau invers. Der Eingangswiderstand der Beispiel-Schaltung ist wesentlich kleiner als bei der invertierenden Schmitt-Trigger-Schaltung und entspricht dynamisch dem Widerstand ''R''1+''R''2. Aufgrund der Umschaltung liegt eine Rückwirkung auf den Eingang vor. Daher wird diese Schaltung selten angewandt – die Invertierung der Ausgangsspannung kann auch durch einen nachgeschalteten [[Nicht-Gatter|Inverter]] vorgenommen werden und vermeidet dann den Nachteil des geringen Eingangswiderstandes des nicht-invertierenden Schmitt-Triggers.

Bei der angegebenen Schaltung kann die Schwellspannung fix auf 0 V geschaltet werden, indem der negative Eingang des Operationsverstärkers auf 0 V ([[Masse (Elektronik)|Masse]]) gelegt wird. In digitalen Schaltungen legt man die Mitte zwischen den Schaltschwellen auf die halbe Versorgungsspannung (2,5 V bei 5 V Versorgungsspannung) oder mitten in den „verbotenen Bereich“ der Logikpegel (ca. 1,4 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 [[Flipflop|RS-Flipflop]] aufgebaut werden. Die Schaltschwellen können beispielsweise mit Hilfe von [[Spannungsteiler]]n 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.<ref>ON Semiconductor. [https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NE521-D.PDF Datenblatt des Bausteins NE521.] (PDF)</ref> Auch der [[NE555]] hat einen eingebauten Präzisions-Schmitt-Trigger und kann ohne externe Kondensatoren als solcher verwendet werden.<ref>FFH Emden. {{Webarchiv |url=http://www.et-inf.fho-emden.de/~elmalab/indelek/download/Ind_4.pdf |text=Kippschaltungen mit Komparatoren |wayback=20160304081904}} (PDF, 212 kB)</ref>

== Implementierungen ==
Realisierungen von Schmitt-Triggern sind mit verschiedenen Bauteilen möglich. Entweder wie oben beschrieben mit Operationsverstärkern oder mit diskreten Halbleitern, z. B. bipolaren [[Transistor]]en. Das linke Schaltbild ähnelt einem zweistufigen, direkt gekoppelten, insgesamt nichtinvertierenden Analogverstärker. Der Unterschied liegt im gemeinsamen Emitterwiderstand RE. Der [[Spannungsabfall]] dort bewirkt die Mitkopplung und damit das gewünschte Schmitt-Trigger-Verhalten. Die Einstellung der Schaltschwellen erfolgt durch die Dimensionierung der Widerstände.
{| align="center"
| [[Datei:Schmitt with transistors.svg|mini|300px|Realisierung eines Schmitt-Triggers mit Hilfe zweier [[Transistor]]en (nichtinvertierend)]]
| [[Datei:Int Schmitt-Trigger.png|mini|200px|Schmitt-Trigger in [[CMOS]]-Technologie (invertierend)]]
|}

Das rechte Schaltbild stellt eine Implementierung mit komplementären MOS-Transistoren in einem CMOS-IC dar. Die vier übereinander angeordneten Transistoren bilden einen gewöhnlichen [[Nicht-Gatter#Elektronische Realisierung|Inverter]], sofern man sich die jeweils gleichen Transistoren als je ''einen'' Transistor vorstellt. Durch die Verwendung jeweils zweier Transistoren erhält der jeweils gedachte Transistor quasi eine Mittelanzapfung an der Drain-Source-Strecke. Die beiden rechten Transistoren, geschaltet vom Ausgangssignal, verändern durch „Bahnverkürzung“ der Gate-Source-Strecke die Schaltschwelle UGS des gedachten Transistors. Somit ergibt sich das gewünschte Verhalten. Die Höhe der Schaltschwellen ergibt sich durch die Eigenschaften der verwendeten Transistortypen; bei [[integrierter Schaltkreis|integriertem Aufbau]] erfolgt sie konstruktiv durch die Dimensionierung der beteiligten MOS-Transistorstrukturen.<ref>{{Internetquelle |autor=I. M. Filanovsky, H. Baltes |url=https://web.mit.edu/magic/Public/papers/00260219.pdf |titel=CMOS Schmitt Trigger Design |titelerg= |werk=IEEE Transactions on Circuits and Systems, Fundamental Theory and Applications, Vol. 41, No. 1 |hrsg=[[IEEE]] |datum=1994-01 |seiten=46–49 |format=PDF |sprache=en |abruf=2026-01-15 |kommentar=Massachusetts Institute of Technology}}</ref>

== Anwendung ==
Werden digitale Signale über lange Kabelstrecken übertragen, werden die Signalflanken bei Fehlanpassung wegen der [[Tiefpass]]charakteristik und auch bei korrekter Anpassung aufgrund der [[Dispersion (Physik)|Dispersion]] verschliffen.
Ein Schmitt-Trigger erzeugt für nachfolgende Schaltungsteile wieder steile [[Signalflanke]]n und eindeutige Signalpegel.

Aus einem invertierenden Schmitt-Trigger, einem Widerstand als Rückführung und einem Kondensator parallel zum Eingang (RC-Glied) lässt sich ein einfacher [[Kippschwinger|Oszillator]] aufbauen (''Relaxationsoszillator''), der bei genügend schnellen Halbleiterelementen bis in den UKW-Frequenzbereich hinein Schwingungen erzeugen kann.

Schmitt-Trigger mit vorgeschaltetem Tiefpass (RC-Glied) lassen sich zum [[Prellen|Entprellen]] von [[Taste]]n und anderen [[Elektrischer Kontakt|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.

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=[[Ulrich Tietze]], Christoph Schenk
|Hrsg=
|Titel=Halbleiterschaltungstechnik
|Auflage=12.
|Verlag=Springer
|Ort=
|Datum=2002
|ISBN=3-540-42849-6
|Seiten=612–615}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Schmitt triggers|Schmitt-Trigger}}
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/opaschm.htm Vom Operationsverstärker bis zum Schmitt-Trigger, kontinuierlich einstellbar.]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/wincst.htm Vom Fensterkomparator zum Präzisions-Schmitt-Trigger]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/st555.htm 230-VAC-Netzfrequenzsynchronisation mit dem CMOS-555-Timer-IC als Schmitt-Trigger]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/opa1.htm Operationsverstärker I]

== Fußnoten ==
<references />

[[Kategorie:Digitaltechnik]]

Schmitt-Trigger - Versionsgeschichte

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