【電子回路】コンパレータ①～基本性質とオープンコレクタ～

基本性質

　コンパレータ(Comparator)は非反転入力端子、反転入力端子、正側電源端子、負側電源端子、出力端子の5つの端子を有する素子である。

　オペアンプと全く同じ端子構成であり、回路記号(シンボル)も同じである(図1参照)。

　コンパレータの出力電圧\(V_{\text{out}}\)は、2つの入力端子の電圧差で決まる。

　と言っても、\(V_\text{out}\)は以下の条件で\(V_\text{out(H)}\)と\(V_\text{out(L)}\)の2値しかとらない。

　ただし\(V_{\text{out(H)}}>V_\text{out(L)}\)である(図2参照)。

　以上のように2つの入力電圧を比較し、どちらが大きいかで出力が切り替わることから、「比較する」の意の「compare」を語源として「comparator(コンパレータ)」と呼ばれる。

　コンパレータの出力方式は複数存在するが、よく見かけるのがオープンコレクタ出力方式である。

　この方式では、コンパレータ内部にトランジスタが搭載されている。

　ここでは図3のようなNPNトランジスタを例に解説する。

　基本的には図3のように、コレクタ(C)が出力端子、エミッタ(E)がGNDとなっている。

　さらにコレクタ側には電源\(V_\text{p}\)と抵抗\(R_\text{p}\)(プルアップ電圧とプルアップ抵抗)を接続する。

　このとき、コンパレータの動作は次の2通りになる。

\(V_{\text{in}+}<V_{\text{in}-}\)のとき

　ベース(B)に電流が流れ、コレクタとエミッタがショート(短絡)し、\(V_\text{out}=V_\text{out(L)}=0\,\text{V}\)となる。

\(V_{\text{in}+}>V_{\text{in}-}\)のとき

　ベース(B)に電流が流れず、コレクタがオープンとなりトランジスタ側には電流は流れない。
　出力側のインピーダンスは大抵非常に大きいため、\(V_\text{out}=V_\text{out(H)}=V_\text{p}\)となる。

　つまり、Low出力\(V_\text{out(L)}\)を\(0\,\text{V}\)に、High出力\(V_\text{out(H)}\)を任意の電圧に設定できるようになる。

メモ

　今回のコンパレータ内で見られるトランジスタは「スイッチ」として機能している。

　実はコンパレータ内に限らず、この使われ方はトランジスタではよく見られる。

　ベース電流はかなり小さい電流であるため、小さい信号のON/OFF操作で大きい電流のON/OFF操作ができるためだ。

　ここで、実際にLTspiceでオープンコレクタ出力方式のコンパレータを動作させたシミュレーション結果を図6に示す。

　非反転入力端子には5V一定の電圧\(V_{\text{in}+}\) (青線)を、反転入力端子にはリニアに時間変化する電圧\(V_{\text{in}-}\) (黄線)を入力したときの出力電圧\(V_\text{out}\) (赤線)の時間変化を示している。

　右のグラフを確認すると、

\(V_{\text{in}+}<V_{\text{in}-}\)のとき、\(V_\text{out}=V_\text{out(L)}=0\,\text{V}\)
\(V_{\text{in}+}>V_{\text{in}-}\)のとき\(V_\text{out}=V_\text{out(H)}=V_\text{p}=8V\)

となっており、2つの入力電圧の差に応じて出力電圧が切り替わっていることがわかる。

　ここまでで、コンパレータが2つの入力電圧の大小で出力を切り替えることを見てきた。

　しかし、実際の回路ではただコンパレータを間に入れるだけではうまく出力の切り替えができない事例が存在する。

　次回はその事例を紹介し、問題を解決する考え方である「ヒステリシス」について解説する。

　次回はこちら。