Fig.1　基本コンパレータの記号

＜解説＞

Fig.2　コンパレータの切り替わり動作

コンパレータ回路は記号で表すと、Fig.1のような回路記号で書かれることが多いですが、 この回路記号の意味は、

Vin+がVin-より高い電圧の場合、VoutはHとなり、 Vin-がVin+より高い場合、VoutはLになるのが一般的です。

基本的な動作を波形で示すと、上記Fig.2から分かるように、

切替わりポイントより左側では、Vin-がVin+より高くVoutはLレベル 切替わりポイントより右側では、Vin+がVin-より高くVoutはHレベル となっています。

このコンパレータ回路を用いることにより、 アナログ入力信号をH or Lレベルのデジタル信号に変換することができます。

以上より、例えば、Vin-に2.5Vを印加した状態で、Vin+にモニターしたい信号を接続しておきます。Vin+信号が2.5Vを越えたとき、出力はLからＨに切り替わります。これがコンパレータ回路の基本的な使い方です。

また実際に信号を検出する場合、ノイズやチャタリングなど誤動作を防止するためにヒステリシスを設けることも可能です。その場合は、ヒステリシスコンパレータなどと呼ばれます。この場合、切り替わりポイントは、ヒステリシスを付けている分ズレますが、それが許容できるなら、誤動作防止に非常に役に立ちます。

次に、コンパレータ回路の基本的な特性と注意点をまとめてみましょう。

●オープンループ ゲイン

　　　　最小の入力電圧：Vin=(VOH-VOL)÷Av

●入出力 伝搬時間

●入力オフセット電圧

●入力動作範囲

例えば、電源電圧が5Vで、比較したい入力信号が、2v〜3Vの場合、求められる入力電圧範囲は、それをカバーする範囲、マージンをみて1v〜4v程度あれば問題ないと考えます。つまり、比較したい信号に適した入力動作範囲を使う必要があります。コンパレータ回路は、電源電圧により、低電圧動作するものから、高電圧で動作するものまでさまざまな構成が可能です。気をつけなければいけないのは、動作範囲外で使用した場合、極端にスピードが下がったり、出力が切り替わらなくなります。そのため動作範囲には注意が必要です。

ノイズの影響

例えば、入力信号ラインの近くにパルス信号が通るような配線は、避けたいところです。入力される信号にもよりますが、誤動作防止のためにはヒステリシスを設けることもできます。

Fig.1　基本コンパレータの記号

＜解説＞ 　 Fig.3　基本的なコンパレータ回路の例、回路図

では次に、Fig.1の三角記号の内部回路を覗いてみましょう。実にさまざまな構成が可能ですが、勉強のため分かりやすい上記回路を考えてみましょう。

MOSを使った最も簡単なコンパレータの基本回路例をFig.3に示します。

基本回路構成は、Fig.3のように二つの入力電圧を比較するために、差動対が用いられることが多いです。そして、差動対とカレントミラーなど能動負荷を使って、シングルエンド変換し、Vout出力するのが基本です。入力差動対、出力ソース接地(エミッタ接地）形式になっていれば、基本的にはさまざまな回路構成が可能です。NPN、PNP、NchでもPchでも構成が可能です。

では、この基本回路図の動作について考えていきましょう。