コンパレータ

LM393デュアルコンパレータは、一般的なコンパレータ集積回路チップであり、回路基板上に表示されています。

電子工学において、コンパレータとは、2つの電圧または電流を比較し、どちらが大きいかを示すデジタル信号を出力する装置です。2つのアナログ入力端子と1つのバイナリデジタル出力端子を備えています。出力は理想的には ${\displaystyle V_{+}}$ ${\displaystyle V_{-}}$ ${\displaystyle V_{\text{o}}}$

${\displaystyle V_{\text{o}}={\begin{cases}1,&{\text{if }}V_{+}>V_{-},\\0,&{\text{if }}V_{+}V_{-}.\end{cases}}}$

コンパレータは、特殊な高ゲイン差動増幅器で構成されています。アナログ信号を測定・デジタル化するデバイス、例えばアナログ-デジタルコンバータ（ADC）や弛張発振器などによく使用されます。

差動電圧

コンパレータの動作の図解

差動電圧は、製造元が指定した制限内に収める必要があります。LM111ファミリーのような初期の集積化コンパレータや、LM119ファミリーのような特定の高速コンパレータでは、電源電圧（±15V対36V）よりも大幅に低い差動電圧範囲が必要です。^{[ 1 ]}レールツーレールコンパレータは、電源範囲内の任意の差動電圧を許容します。バイポーラ（デュアルレール）電源から駆動する場合、

${\displaystyle V_{S-}\leq V_{+},V_{-}\leq V_{S+},}$

またはユニポーラTTL / CMOS電源から電力を供給されている場合、

${\displaystyle 0\leq V_{+},V_{-}\leq V_{\text{cc}}}$ 。

LM139ファミリーのようなp-n-p入力トランジスタを備えた特定のレールツーレールコンパレータでは、入力電位が負の電源レールより0.3ボルト低下することは許容しますが、正の電源レールより上昇することは許容しません。^{[ 2 ]} LMH7322のような特定の超高速コンパレータでは、入力信号が負の電源レールより下および正の電源レールより上に振れることが許容されますが、その許容範囲はわずか0.2Vです。^{[ 3 ]}現代のレールツーレールコンパレータの差動入力電圧（2つの入力間の電圧）は通常、電源のフルスイングによってのみ制限されます。

オペアンプ電圧コンパレータ

シンプルなオペアンプコンパレータ

オペアンプ（OPアンプ）は、バランスの取れた差動入力と非常に高いゲインを備えています。これはコンパレータの特性と似ており、性能要件が低いアプリケーションではコンパレータの代替として使用できます。^{[ 4 ]}

コンパレータ回路は2つの電圧を比較し、どちらが大きいかに応じて1（プラス側の電圧）または0（マイナス側の電圧）を出力します。コンパレータは、例えば入力が所定の値に達したかどうかを確認するためによく使用されます。コンパレータは専用のコンパレータICを使用して実装されることが多いですが、オペアンプが代替として使用されることもあります。コンパレータの図とオペアンプの図では、同じ記号が使用されます。

フィードバックのないオペアンプを用いたシンプルなコンパレータ回路は、VinとVREFの電圧差を単純に増幅し、その結果をVoutとして出力します。VinがVREFよりも大きい場合、Voutの電圧は正の飽和レベル、つまり正側の電圧まで上昇します。VinがVREFよりも小さい場合、Voutの電圧は負の飽和レベル、つまり負側の電圧まで低下します。

実際には、この回路はヒステリシス電圧範囲を組み込むことで改善され、ノイズに対する感度を下げることができます。

オペアンプとコンパレータの特性の違いにより、オペアンプをコンパレータとして使用すると、専用のコンパレータを使用する場合に比べていくつかの欠点があります。^{[ 5 ]}

1. オペアンプは負帰還を用いた線形モードで動作するように設計されています。そのため、飽和状態からの回復時間は通常長くなります。ほとんどすべてのオペアンプは内部補償コンデンサを備えており、高周波信号に対するスルーレートに制限が課せられます。その結果、オペアンプは伝播遅延が数十マイクロ秒にも及ぶ、不安定なコンパレータとなります。
2. オペアンプには内部ヒステリシスがないため、動きの遅い入力信号には常に外部ヒステリシス ネットワークが必要です。
3. オペアンプの静止電流仕様は、フィードバックが有効な場合にのみ有効です。オペアンプによっては、入力電圧が等しくない場合に静止電流が増加することがあります。
4. コンパレータは、デジタルロジックと容易にインターフェースできる、十分に制限された出力電圧を生成するように設計されています。オペアンプをコンパレータとして使用する場合は、デジタルロジックとの互換性を検証する必要があります。
5. 一部の複数セクションのオペアンプは、コンパレータとして使用した場合に、チャネル間の相互作用が極端に現れることがあります。
6. 多くのオペアンプは、入力間にダイオードを背中合わせに挿入しています。オペアンプの入力は通常連続しているので問題ありませんが、コンパレータの入力は通常同じではありません。ダイオードによって、入力に予期せぬ電流が流れる可能性があります。

デザイン

コンパレータは、デジタル回路で使用されるロジックゲートと互換性のある出力を持つ高ゲイン差動増幅器で構成されています。ゲインは十分に高いため、入力電圧間のわずかな差でも出力が飽和し、出力電圧はゲート入力の低ロジック電圧帯域または高ロジック電圧帯域のいずれかになります。アナログオペアンプはコンパレータとして使用されていますが、専用のコンパレータチップは、コンパレータとして使用される汎用オペアンプよりも一般的に高速であり、高精度な内部基準電圧、調整可能なヒステリシス、クロックゲート入力などの追加機能を備えている場合もあります。

LM339などの専用電圧コンパレータチップは、デジタルロジックインターフェース（TTLまたはCMOS）とインターフェースするように設計されています。出力はバイナリ状態であり、実世界の信号をデジタル回路にインターフェースするためによく使用されます（アナログ-デジタルコンバータを参照）。信号パスに、例えばDC調整可能なデバイスからの固定電圧源がある場合、コンパレータは増幅器のカスケード接続と同等になります。電圧がほぼ等しい場合、出力電圧はいずれかのロジックレベルに落ち込まず、アナログ信号がデジタル領域に入り、予期しない結果をもたらします。この範囲を可能な限り小さくするために、増幅器カスケードは高ゲインです。回路は主にバイポーラトランジスタで構成されています。非常に高い周波数では、各段の入力インピーダンスは低くなります。これにより、低速で大型のp-n接合バイポーラトランジスタの飽和が軽減され、そうでなければ長い回復時間につながります。バイナリロジック設計に見られるような高速で小型のショットキーダイオードは、性能を大幅に向上させますが、アナログ信号を使用する増幅器を備えた回路に比べると性能は依然として劣ります。これらのデバイスではスルーレートは意味を持ちません。フラッシュADCのアプリケーションでは、8つのポートに分配された信号は各アンプの後の電圧と電流のゲインと一致し、抵抗はレベルシフタとして機能します。

オープンコレクタ出力

一部のコンパレータ（例：LM339）は、異なるロジックファミリーとのインターフェースを容易にするためにオープンコレクタ出力を採用しています。反転入力の電圧が非反転入力の電圧よりも高い場合、コンパレータの出力は負電源に接続されます。非反転入力の電圧が反転入力よりも高い場合、出力はハイインピーダンスとなるため、この状態での出力電圧は、外付けプルアップ抵抗によって異なる電源電圧に 設定できます。

主な仕様

コンパレータの基本的なタスク、つまり 2 つの電圧または電流を比較することは簡単に理解できますが、適切なコンパレータを選択する際にはいくつかのパラメータを考慮する必要があります。

スピードとパワー

一般的にコンパレータは「高速」ですが、その回路は速度と電力のトレードオフという古典的な問題から逃れることはできません。高速コンパレータはアスペクト比の大きいトランジスタを使用するため、消費電力も大きくなります。^{[ 6 ]}用途に応じて、高速コンパレータか省電力コンパレータのいずれかを選択してください。例えば、 MAX9027、 ^{[ 7 ]} LTC1540、^{[ 8 ]} LPV7215、^{[ 9} ] MAX9060、^{[ 10 ]} MCP6541、^{[ 11 ]}などの省スペースチップスケールパッケージ（ UCSP）、DFN 、またはSC70パッケージに収められたナノパワーコンパレータは、超低消費電力のポータブルアプリケーションに最適です。同様に、高速クロック信号を生成するための緩和発振回路を実装するためにコンパレータが必要な場合は、^伝搬遅延が数ナノ秒のコンパレータが適している可能性があります。 ADCMP572（CML出力）、^{[ 12 ]} LMH7220（LVDS出力）、^{[ 13 ]} MAX999（CMOS出力/TTL出力）、^{[ 14 ]} LT1719（CMOS出力/TTL出力）、^{[ 15 ]} MAX9010（TTL出力）、^{[ 16 ]}およびMAX9601（PECL出力）、^{[ 17 ]}は優れた高速コンパレータの例です。

ヒステリシス

コンパレータは通常、入力間の電圧がほぼ 0 ボルトを横切ると出力状態を変更します。入力に常に存在するノイズによる小さな電圧変動は、入力電圧差が 0 ボルトに近いときに 2 つの出力状態間で望ましくない急激な変化を引き起こす可能性があります。この出力振動を防ぐために、多くの最新のコンパレータには数ミリボルトの小さなヒステリシスが組み込まれています。 ^{[ 18 ]} たとえば、LTC6702、^{[ 19 ]} 、 MAX9021、^{[ 20 ]} 、および MAX9031、^{[ 21 ]}には、入力ノイズの影響を受けにくくする内部ヒステリシスがあります。1 つのスイッチング ポイントの代わりに、ヒステリシスによって 2 つのスイッチング ポイントが導入されます。1 つは上昇電圧用、もう 1 つは下降電圧用です。高いレベルのトリップ値 (VTRIP+) と低いレベルのトリップ値 (VTRIP-) の差がヒステリシス電圧 (VHYST) に等しくなります。

コンパレータに内部ヒステリシスがない場合、または入力ノイズが内部ヒステリシスよりも大きい場合は、出力からコンパレータの非反転入力への正帰還を使用して外部ヒステリシス ネットワークを構築できます。結果として得られるシュミット トリガ回路は、ノイズ耐性が向上し、出力信号がよりクリーンになります。LMP7300、^{[ 22 ]} LTC1540、^{[ 8 ]} MAX931、^{[ 23 ]} MAX971、^{[ 24 ]} ADCMP341、^{[ 25 ]}などの一部のコンパレータでは、別のヒステリシス ピンを介したヒステリシス制御も提供されます。これらのコンパレータを使用すると、帰還や複雑な式を使用せずにプログラム可能なヒステリシスを追加できます。専用のヒステリシス ピンを使用すると、入力がヒステリシス ネットワークから分離されているため、ソース インピーダンスが高い場合にも便利です。^{[ 26 ]}ヒステリシスが追加されると、コンパレータはヒステリシス バンド内の信号を分解できなくなります。

出力タイプ

低消費電力CMOSクロックコンパレータ

コンパレータは2つの出力状態しか持たないため、出力はゼロに近いか電源電圧に近いかのいずれかになります。バイポーラ・レールツーレール・コンパレータはエミッタ接地出力を持ち、出力と各レール間に小さな電圧降下が生じます。この電圧降下は、飽和トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧に相当します。出力電流が少ない場合、飽和MOSFETを使用するCMOSレールツーレール・コンパレータの出力電圧は、バイポーラ・コンパレータよりもレール電圧に近くなります。^{[ 27 ]}

出力に基づいて、コンパレータはオープンドレイン型とプッシュプル型に分類できます。オープンドレイン出力段を備えたコンパレータは、論理ハイレベルを定義する正電源への外付けプルアップ抵抗を使用します。オープンドレイン型コンパレータは、混合電圧システム設計に適しています。出力は論理ハイレベルに対して高インピーダンスとなるため、オープンドレイン型コンパレータは複数のコンパレータを単一のバスに接続するためにも使用できます。プッシュプル出力はプルアップ抵抗を必要とせず、オープンドレイン出力とは異なり、電流を供給できます。

内部参照

コンパレータの最も一般的な用途は、電圧と安定したリファレンスとの比較です。TL431はこの目的で広く使用されています。ほとんどのコンパレータメーカーは、リファレンス電圧をチップに統合したコンパレータも提供しています。リファレンスとコンパレータを1つのチップに統合すると、スペースが節約されるだけでなく、外部リファレンスを備えたコンパレータよりも消費電流が少なくなります。^{[ 27 ]} MAX9062（200 mVリファレンス）、^{[ 10 ]} LT6700（400 mVリファレンス）、^{[ 28 ]} ADCMP350（600 mVリファレンス）、^{[ 29 ]} MAX9025（1.236 Vリファレンス）、^{[ 7 ]} MAX9040（2.048 Vリファレンス）、^{[ 30 ]} TLV3012（1.24 Vリファレンス）、^{[ 31 ]} TSM109（2.5 Vリファレンス）など、幅広いリファレンスを備えたICが利用可能です。^{[ 32 ]}

連続 vs. クロック

連続コンパレータは、入力にハイまたはローの信号が印加されるたびに「1」または「0」を出力し、入力が更新されるとすぐに変化します。しかし、多くのアプリケーションでは、A/Dコンバータやメモリなど、特定のタイミングでのみコンパレータ出力が必要です。クロック式（またはダイナミック）コンパレータ構造（ラッチコンパレータとも呼ばれます）では、コンパレータを一定の間隔でのみストローブすることで、より高い精度と低い消費電力を実現できます。ラッチコンパレータは、クロックがハイのときに「再生フェーズ」として強い正帰還を使用し、クロックがローのときに「リセットフェーズ」を使用することがよくあります。^{[ 33 ]} これは、リセット期間がないため弱い正帰還しか使用できない連続コンパレータとは対照的です。

アプリケーション

高精度校正コンパレータ

ヌル検出器

ヌル検出器は、与えられた値がゼロであるかどうかを識別します。コンパレータは、バランスの取れた入力と制御された出力制限を備えた非常に高ゲインの増幅器と同等であるため、ヌル検出の比較測定に最適です。ヌル検出器回路は、未知の電圧と基準電圧（通常 v _uおよび v _rと呼ばれます）の 2 つの入力電圧を比較します。基準電圧は通常、非反転入力 (+) にあり、未知の電圧は通常、反転入力 (-) にあります。(回路図では、特定の入力が他の入力よりも大きい場合、出力に対する符号に従って入力が表示されます。) 入力がほぼ等しくない限り (以下を参照)、出力は正または負のいずれかになります (例: ±12 V)。ヌル検出器の場合、目的は入力電圧がほぼ等しいことを検出することです。基準電圧は既知であるため、未知の電圧の値が得られます。

コンパレータをヌル検出器として使用する場合、精度には限界があります。電圧差と増幅器のゲインを乗じた値が電圧制限値内であれば、出力はゼロになります。例えば、ゲインが10 ⁶で電圧制限値が±6 Vの場合、電圧差が6 μV未満であれば出力はゼロになります。これは測定における基本的な不確かさと言えるでしょう。^{[ 34 ]}

ゼロクロス検出器

このタイプの検出器では、コンパレータが交流パルスの極性が変化するたびにそれを検出します。コンパレータの出力は、パルスの極性が変化するたびに状態が変化します。つまり、正のパルスの場合は出力がHI（ハイ）となり、負のパルスの場合はLO（ロー）となり、入力信号を2乗します。^{[ 35 ]}

緩和振動子

コンパレータは弛張発振器（リラクゼーションオシレータ）を構成するために用いられる。この発振器は正帰還と負帰還の両方を用いる。正帰還はシュミットトリガ回路である。トリガ回路単体では、トリガ回路は双安定マルチバイブレータとして機能する。しかし、RC回路によってトリガ回路に低速の負帰還を加えることで、回路は自動的に発振する。つまり、RC回路を加えることで、ヒステリシス型双安定マルチバイブレータは非安定マルチバイブレータへと変化する。^{[ 36 ]}

レベルシフター

ナショナルセミコンダクター LM393

^{この回路は、LM393、 [ 37 ]} TLV3011、^{[ 38 ]}またはMAX9028 ^{[ 7 ]}のようなオープンドレイン出力のコンパレータを1つだけ必要とします。この回路は、適切なプルアップ電圧を使用することで、変換する電圧を柔軟に選択できます。また、MAX972のようなコンパレータを使用することで、バイポーラ±5 Vロジックをユニポーラ3 Vロジックに変換することもできます。^{[ 24 ] [ 27 ]}

アナログ-デジタルコンバータ

コンパレータが入力電圧が所定の閾値を超えているか下回っているかを判断する機能を果たす場合、本質的には1ビットの量子化を実行していることになります。この機能は、ほぼすべてのアナログ-デジタルコンバータ（フラッシュ、パイプライン、逐次比較、デルタ-シグマ変調、フォールディング、補間、デュアルスロープなど）で、他のデバイスと組み合わせてマルチビット量子化を実現するために使用されています。^{[ 39 ]}

窓検出器

コンパレータはウィンドウ検出器としても使用できます。ウィンドウ検出器では、コンパレータを使用して2つの電圧を比較し、入力電圧が低電圧か高電圧かを判定します。

絶対値検出器

コンパレータは絶対値検出器を作成するために使用できます。絶対値検出器では、2つのコンパレータとデジタル論理ゲートを使用して、2つの電圧の絶対値を比較します。^{[ 40 ]}

参照

• 定数分数弁別器
• デジタルコンパレータ
• フラッシュADC
• LMシリーズ集積回路の一覧 § 差動コンパレータ
• ソーティングネットワーク
• 電圧レギュレータ
• ゼロ交差閾値検出器

参考文献

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•  この記事には、連邦規格1037Cのパブリックドメイン資料が含まれています。一般調達局。2022年1月22日時点のオリジナル記事からのアーカイブ。

外部リンク

• IC コンパレータのリファレンス ページ (http://circuitous.ca)
• ヒステリシスを持つ反転コンパレータ回路を解析するためのJavaベースの抵抗値検索ツール