シュミットトリガ

シュミットトリガ（Schmitt trigger）は、入力信号の電圧が変化する際に、二つの異なるしきい値を持つことで出力状態が切り替わる電子回路です。この独特の性質は「ヒステリシス特性」と呼ばれます。シュミット回路（Schmitt circuit）と呼ばれることもあります。この回路は、特に不安定なアナログ信号やノイズの多い信号を、明確な二値のデジタル信号に変換する「波形整形」や「ノイズ除去」に広く利用されます。

概説

シュミットトリガの働きを理解するため、非反転バッファとしての動作を例に説明します。この回路は、高い側のしきい値（上限しきい値）と低い側のしきい値（下限しきい値）という、二つの異なる入力電圧レベルを持っています。

1. 入力電圧が低い状態から上昇し、上限しきい値を超えると、出力は低い電位（Low）から高い電位（High）に切り替わります。
2. 一度出力がHighになると、入力電圧が下降してもすぐにはLowに戻りません。出力がLowに戻るためには、入力電圧が上限しきい値とは異なる、より低い下限しきい値を下回る必要があります。
3. 入力電圧が下限しきい値と上限しきい値の間に留まっている間は、出力は直前の状態（HighまたはLow）を維持します。

この二つのしきい値の間で出力状態を保持する性質がヒステリシス特性です。入力信号がしきい値付近で微細に変動した場合でも、このヒステリシスがあるため出力が頻繁にオン/オフを繰り返すことがありません。これにより、信号の揺らぎやノイズによってデジタル回路が誤動作するのを効果的に防ぐことができます。しきい値を超えることをきっかけに出力が切り替わることから「トリガ」という名が冠されています。

回路図記号としては、バッファやインバータを示す三角形の中に、ヒステリシス特性を示す波線や二つの短い平行線が描かれます。他の論理ゲートなどの入力段にシュミットトリガ機能が組み込まれている場合は、入力端子の近くに小さくこのヒステリシス記号が付け加えられることがあります。

発明の経緯

シュミットトリガは、ドイツの生物物理学者であるオットー・シュミット（1913-1998）によって1934年に発明されました。この発明は、彼の博士号研究の一部であり、もともとは生物の神経系の働き、特に神経細胞の電気的な応答メカニズムを電子回路で模倣することを目指したものでした。具体的には、イカの巨大神経軸索を用いた研究から着想を得たと言われています。当初は「熱電子トリガ（Thermionic Trigger）」という名称でしたが、後に「シュミットトリガ（Schmitt Trigger）」として商標登録され、その名が定着しました。

回路による実現

シュミットトリガ回路は、いくつかの方法で構成できます。

コンパレータを用いた構成

一般的な実現方法の一つとして、コンパレータに正帰還（ポジティブフィードバック）をかける方法があります。コンパレータは二つの入力端子間の電圧差を増幅し、出力が大きく変化する素子です。通常、非反転入力（+端子）の電圧が反転入力（-端子）より高ければHighを出力し、低ければLowを出力します。

このコンパレータの出力を抵抗を介して自身の非反転入力に戻す（正帰還）ことで、出力が高電位の時と低電位の時とで、非反転入力にかかる基準電圧が見かけ上変化します。これにより、入力信号に対して二つの異なるしきい値が生じ、ヒステリシス特性を持つようになります。実用的な回路では、出力電圧の安定化や、入力オフセットの調整などのために、追加の部品が用いられることがあります。

トランジスタを用いた構成

二つのバイポーラトランジスタと数個の抵抗だけでもシュミットトリガ回路を構成することが可能です。例えば、NPNトランジスタを二つ用いた回路では、入力電圧に応じて一方のトランジスタがオン/オフすることで、もう一方のトランジスタの動作点が変化し、その結果として全体に正帰還がかかります。入力電圧が上昇して最初のトランジスタがオンになると、連携するトランジスタがオフになり出力がHighに切り替わります。この切り替えが行われる入力電圧レベルは、トランジスタのベース・エミッタ間電圧やエミッタ抵抗の電圧降下によって決まりますが、出力がLowの時とHighの時とでこれらの電圧条件が異なるため、二つのしきい値が生まれます。ただし、この単純な構成では出力のLowレベルが完全に接地電圧にならないことがあるため、後段の回路に接続する際には注意が必要です。

応用例

シュミットトリガは、そのヒステリシス特性を活かして様々な用途に用いられます。

最も基本的な応用は、前述の通り、ノイズを含むアナログ信号やゆっくりと変化する信号を、明確なエッジを持つデジタル信号に変換する波形整形です。また、デジタル信号の伝送経路で発生したノイズを除去し、信号品質を改善するためにも使われます。

さらに、シュミットトリガは弛張型発振回路の構成要素としても利用できます。出力信号を抵抗とコンデンサによる遅延回路を通して自身の入力に戻すように接続すると、コンデンサの充電・放電とシュミットトリガの切り替え動作が周期的に繰り返され、矩形波などの発振信号を生成します。出力にバッファ機能を持つシュミットトリガインバータを用いる場合、比較的簡単な回路で発振器を実現できます。

シュミットトリガ機能は、汎用ロジックICにも広く搭載されています。例えば、TTLの74シリーズやCMOSの4000シリーズには、シュミットトリガ入力を持つインバータ、NANDゲート、NORゲート、バッファなどが多数存在します。代表的な製品としては、7414（ヘキサインバータ）、74132（クワッド2入力NAND）、40106（ヘキサインバータ）などが挙げられます。これらのICは、外部から入力される信号の品質が不安定な場合に、システムの安定性を高めるために利用されます。近年では、シングルゲートのCMOSロジックICでもシュミットトリガ機能を備えたものが提供されています。

このように、シュミットトリガはデジタル回路の安定動作や信号処理において、非常に重要な役割を担う基本的な電子回路の一つと言えます。

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