1. 슈미트 트리거 회란?
회로를 다루다 보면 입력 신호가 깨끗하지 않은 경우가 많습니다.
예를 들어, 버튼을 눌렀는데 접점이 튀면서 신호가 여러 번 들어가거나, 센서에서 들어오는 값이 살짝살짝 흔들리는 일이 자주 생깁니다.
이럴 때 그대로 회로에 연결하면 LED가 깜빡이거나, 출력이 들쭉날쭉해서 원하는 동작이 나오지 않습니다.
이럴 때 꼭 필요한 게 바로 슈미트 트리거 회로입니다.
슈미트 트리거는 쉽게 말해 ‘입력 신호를 깔끔하게 정리해주는 회로’라고 생각하면 됩니다.
신호에 약간의 노이즈나 흔들림이 있어도, 출력은 딱 떨어지는 HIGH 아니면 LOW로 정확히 변합니다.
이 슈미트 트리거 회로를 이해하기 위해서는 ‘히스테리시스’라는 특징을 알아야 합니다.
이게 뭐냐면, 켜질 때 기준과 꺼질 때 기준을 다르게 잡는 겁니다.
예를 들어, 입력 전압이 3V를 넘으면 출력이 켜지고, 다시 2V 밑으로 떨어져야 꺼지는 식입니다.
이렇게 해두면 입력이 2.5V쯤에서 왔다 갔다 해도 출력은 바뀌지 않고 안정적으로 유지됩니다.
덕분에 노이즈가 심한 신호에서도 출력이 오락가락하지 않고 깨끗하게 변하는 거죠.
실제로 버튼을 눌러서 LED를 켜는 회로에 슈미트 트리거를 넣으면, 손이 살짝 떨려도 LED가 딱 한 번만 켜지고, 다시 확실히 눌렀을 때만 꺼지게 만들 수 있습니다.
또 센서 같은 경우도 온도나 거리 값이 살짝 흔들릴 때 출력이 왔다 갔다 하면 곤란한데, 슈미트 트리거를 쓰면 기준값을 넘을 때만 정확히 반응하게 만들 수 있습니다.
결국 슈미트 트리거 회로는 아날로그처럼 애매하게 변하는 신호를 디지털처럼 **’0′ 아니면 ‘1’**로 정리해주는 아주 중요한 역할을 합니다.
그래서 노이즈 제거, 신호 안정화, 스위칭 정확도 향상 같은 장점이 있습니다.
- 연관 참조 : NE555 회로 설계,핀 구성, 5핀 사용 이유, 동작 모드별 설명,
- 연관 참조 : 증폭기의 기초, 종류, 특성, 예제1
- 연관 참조 : RC 충전, RC 회로 충전 시간, 충전 과정, 시간 상수, 전압.전류 변화
- 연관 참조 : RC 회로 상수 계산기, 장점 및 단점, 사용 방법
2. 일반 반전 증폭기와 슈미트 트리거의 차이
2-1) 반전 증폭기 기본 구조와 동작
반전 증폭기는 Op-Amp를 이용해 입력 신호를 증폭시키는데, 말 그대로 입력과 출력의 위상이 반대로 나오는 구조입니다.
입력에 플러스가 들어오면 출력은 마이너스로, 입력에 마이너스가 들어오면 출력은 플러스로 반전되어 나옵니다.
구조는 아주 간단합니다.
op-amp의 반전 입력(-) 단자에 입력 신호를 넣고, 출력에서 저항을 통해 다시 반전 입력으로 피드백을 걸어주는 방식입니다.
비반전 입력(+)은 보통 접지(GND)에 연결합니다.
동작은 아래 수식으로 표현할 수 있습니다.
Vout = – (Rf / Rin) * Vin
- Vin : 입력 전압
- Rf : 피드백 저항
- Rin : 입력 저항
이 구조의 특징은 입력 신호를 일정 비율로 증폭해 주는 건 좋은데, 문제는 노이즈까지 그대로 증폭된다는 겁니다.
입력에 잡음이 조금이라도 섞이면, 출력도 그만큼 흔들리게 됩니다.
2-2) 슈미트 트리거 구조와 동작
그냥 보기에는 Op-Amp나 비교기를 사용하는 점에서 비슷해 보이지만, 슈미트 트리거 회로의 핵심은 양의 피드백(Positive Feedback) 구조라는 점입니다.
일반 반전 증폭기가 음의 피드백만 사용하는 것과는 결정적으로 다릅니다.
이 양의 피드백 덕분에, 슈미트 트리거 회로는 입력 신호가 특정 기준을 넘을 때까지는 출력이 변하지 않고 버팁니다.
그리고 한 번 출력이 바뀌면, 다시 원래 상태로 돌아가려면 입력이 다른 기준까지 떨어져야 합니다.
쉽게 말하면, 입력 신호가 ‘확실히 넘어야’ 출력이 변하는 구조라 생각하면 됩니다.
덕분에 신호가 살짝 흔들리거나 노이즈가 있어도 출력이 쉽게 바뀌지 않고, 안정적인 동작을 보장합니다.
2-3) 히스테리시스 개념 설명 (상·하한 임계점)
슈미트 트리거 회로가 다른 회로와 가장 큰 차이를 보이는 부분이 바로 히스테리시스(Hysteresis)입니다.
히스테리시스란 ‘입력 신호가 올라갈 때와 내려갈 때의 기준(임계점)이 다르다’는 개념입니다.
이 덕분에 경계값 근처에서 입력이 조금 흔들려도 출력이 오락가락하지 않고 안정적으로 유지됩니다.
예를 들어 보겠습니다.
입력 전압이 3V를 넘으면 출력이 HIGH로 바뀝니다.
반대로, 다시 LOW로 바뀌려면 입력 전압이 2V 아래로 떨어져야 합니다.
이렇게 상한과 하한 임계점을 다르게 만들어두면, 신호가 2.5V에서 왔다 갔다 해도 출력은 변하지 않습니다.
이런 구조가 바로 슈미트 트리거 회로의 핵심이자, 노이즈에 강한 이유입니다.
2-4) 반전 증폭기 vs 슈미트 트리거 회로 비교
3. 슈미트 트리거 종류
슈미트 트리거 회로는 크게 반전형과 비반전형으로 나눌 수 있습니다.
두 가지 모두 양의 피드백을 이용해 히스테리시스를 만들어 내는 건 같지만, 입력과 출력의 관계에서 차이가 생깁니다.
3-1) 반전형 슈미트 트리거
3-1-1) 동작 원리
반전형 슈미트 트리거 회로는 오퍼앰프의 반전 입력(-)에 신호를 넣고, 양의 피드백을 걸어서 임계값을 형성합니다.
입력 신호가 임계값을 넘어서면 출력이 반전되어 바뀌고, 다시 돌아오려면 입력이 다른 임계값을 넘어야 합니다.
출력은 항상 입력과 반대 방향으로 바뀌기 때문에 ‘반전형’이라고 부릅니다.
3-1-2) 입력과 출력 관계
예를 들어 아래와 같은 조건이 있다고 해보겠습니다.
상한 임계값 (VH): 3V
하한 임계값 (VL): 1V
입력 전압이 3V를 넘으면 출력이 LOW(0V)로 떨어지고, 다시 1V 아래로 내려가야만 출력이 HIGH(5V)로 바뀝니다.
이렇게 입력과 출력이 반대로 움직이는 게 반전형 슈미트 트리거 회로의 특징입니다.
3-2) 비반전형 슈미트 트리거
3-2-1) 동작 원리
비반전형 슈미트 트리거 회로는 오퍼앰프의 비반전 입력(+)에 신호를 넣고, 역시 양의 피드백을 걸어 히스테리시스를 만들어 줍니다.
입력이 상한 임계값을 넘으면 출력이 HIGH로 바뀌고, 입력이 하한 임계값 아래로 떨어져야 다시 LOW로 바뀌는 구조입니다.
입력과 출력이 같은 방향으로 변화하는 게 특징입니다.
3-2-2) 입력과 출력 관계
아까와 같은 조건을 다시 보면,
상한 임계값 (VH): 3V
하한 임계값 (VL): 1V
입력이 3V를 넘으면 출력이 HIGH(5V)로 올라가고, 다시 1V 아래로 떨어져야 출력이 LOW(0V)로 내려옵니다.
입력과 출력이 같은 방향으로 움직이는 게 반전형과의 큰 차이입니다.
3-3) 반전형과 비반전형 슈미트 트리거 회로 차이 정리
결국 반전형 슈미트 트리거 회로는 입력 신호를 반전시켜 출력하고, 비반전형 슈미트 트리거 회로는 입력과 같은 방향으로 출력이 바뀌는 구조입니다.
하지만 두 회로 모두 히스테리시스 덕분에 노이즈에 강하고, 경계값 근처에서 신호가 흔들려도 안정적인 동작을 보장해줍니다.
이게 바로 슈미트 트리거 회로가 아날로그 신호를 깔끔한 디지털 신호로 만들어 주는 이유이기도 합니다.
4. 7414 (74HC14) 슈미트 트리거 활용
디지털 회로 설계에서 많이 쓰이는 대표적인 슈미트 트리거 IC가 바로 74HC14입니다.
정식 명칭은 Hex Schmitt-Trigger Inverter로, 하나의 칩 안에 슈미트 트리거 회로가 내장된 인버터가 6개 들어 있습니다.
4-1) 74HC14의 주요 특징과 내부 구성
74HC14 슈미트 트리거 회로의 가장 큰 특징은 입력 임계 전압이 올라갈 때와 내려갈 때 다르다는 점입니다.
바로 이 차이 덕분에 히스테리시스 효과가 생기고, 입력 신호가 살짝 흔들려도 출력은 깨끗하게 변화합니다.
내부적으로는 각 인버터마다 슈미트 트리거 회로가 들어있고, 아래와 같은 구조로 되어 있습니다.
- 전원 전압(Vcc): 2V ~ 6V
- 입력 핀 6개 / 출력 핀 6개 (1:1 대응)
- 양의 피드백 구조로 히스테리시스 형성
- 동작 속도 빠름 (고속 CMOS)
이 IC는 특히 느린 입력 신호나 노이즈가 섞인 신호를 처리할 때 정말 유용하게 쓰입니다.
4-1-1) RC 발진기 기본 구조
아래 그림에서 보듯이 구조는 아주 간단합니다. R과 C 그리고, 74HC14 슈미트 트리거 회로 1개가 필요합니다.
출력 신호가 다시 저항을 통해 커패시터를 충전·방전시키는 구조로 동작하며, 이 과정이 반복되어 자연스럽게 발진합니다.
4-1-2) 주파수 계산
이 구조에서 발진 주파수는 아래 공식으로 계산할 수 있습니다.
f=1.1×R×C1
- f : 발진 주파수 (Hz)
- R : 저항 값 (Ω)
- C : 커패시터 값 (F)
이 공식은 74HC14 슈미트 트리거 회로 기준으로 일반적으로 많이 쓰이는 값입니다.
실제 데이터시트마다 약간의 차이는 있을 수 있지만, 대략적인 계산은 이 식으로 충분합니다.
예를 들어, 아래와 같은 부품을 썼다고 해보겠습니다.
- R = 100kΩ
- C = 0.1μF
주파수 계산: f=1/(1.1×100,000×0.1×10−6 ≈ 90.9Hz
즉, 약 91Hz 정도의 사각파가 생성됩니다.
4-1-3) 주의사항
R 값이 너무 크거나 C 값이 너무 크면 발진이 불안정해질 수 있습니다.
보통 R은 1kΩ~1MΩ, C는 수십 nF~수 μF 정도가 안정적입니다.
슈미트 트리거 회로의 Vcc 전압에 따라 히스테리시스 폭이 바뀌기 때문에 약간의 주파수 오차가 생길 수 있습니다.
너무 고주파로 만들고 싶다면, 저항과 커패시터 값을 줄이거나, 고속 버전인 74AC14 같은 IC로 대체하는 것도 방법입니다.
4-2) 74HC14 응용
4-2-1） 7414 IC를 사용한 Slow Input Waveforms 인터페이스 회로
7414(74HC14, 74LS14) 슈미트 트리거 IC는 느린 입력 신호(Slow Input Waveforms*를 처리할 때 아주 유용하게 쓰입니다.
느린 입력이란?
이런 신호는 일반 TTL 로직 회로에서 오작동(채터링, 여러 번 인식 등)을 유발할 수 있습니다.
아날로그 신호처럼 천천히 올라가거나 내려가는 신호
버튼 눌림, 센서 출력 등에서 많이 발생
4-2-2) 7414로 만드는 Threshold Detector (임계값 검출기)
아날로그 입력 신호가 일정 전압 이상 올라가거나 내려갔을 때 동작하게 만드는 회로입니다.
7414 슈미트 트리거 회로는 히스테리시스가 있어 입력 전압이 특정 임계값을 넘으면 ON, 아래로 떨어지면 OFF처럼 정확한 판별이 가능합니다.
센서 신호를 디지털 신호로 변환, 온도/조도 센서 값 비교 등으로 활용할 수 있습니다.
4-2-3) 7414을 사용한 Pulse Stretcher 동작 원리
Pulse Stretcher(펄스 연장기)는 짧게 들어온 신호를 더 길게 늘려주는 회로입니다.
어떤 시스템에서는 입력 신호가 너무 짧으면 제대로 감지하지 못하는 경우가 있는데, 이때 슈미트 트리거 회로를 이용하면 간단하게 해결할 수 있습니다.
예를 들어, 버튼을 아주 짧게 눌렀을 때를 생각해보겠습니다.
버튼을 누르면 짧은 HIGH 신호(1)가 발생하지만, 너무 짧아서 마이크로컨트롤러(MCU)나 다른 회로가 감지하지 못할 수 있습니다.
Pulse Stretcher를 사용하면 버튼을 짧게 눌러도 일정 시간 동안 HIGH 신호가 유지되도록 만들 수 있습니다.
이 원리를 이용하면 센서 신호 처리, 버튼 디바운싱, 클럭 신호 변환 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
