コンパレータ

電子工学において、コンパレータは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デバイスです。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があります。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。 コンパレータは、アナログ/デジタル コンバータ(ADC) や緩和発振器など、アナログ信号を測定してデジタル化するデバイスでよく使用されます。

差動電圧は、製造元が指定した制限内に収まる必要があります。LM111ファミリーのような初期の統合型コンパレータや、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（±15 V対36 V）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可します。バイポーラ（デュアルレール）電源から電力を供給されている場合、

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

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 ボルト低くなることは許容されますが、正の電源レールより高くなることは許容されません。^[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低く、正の電源レールより高く振れることが許容されますが、その許容範囲はわずか 0.2 V です。^[3]最新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。

オペアンプはバランスのとれた差動入力と非常に高いゲインを持っています。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代用することができます。^[4]

コンパレータ回路は 2 つの電圧を比較し、どちらが大きいかを示す 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、たと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。ほとんどの場合、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ますが、代わりにオペアンプを使用することもできます。コンパレータ図とオペアンプ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使用して作成された単純なコンパレータ回路は、Vin と VREF 間の電圧差を大幅に増幅し、その結果を Vout として出力します。Vin が VREF より大きい場合、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 より低い場合、Vout 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ノイズに対する感度を低減し、 改善することができます。

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による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、オペアンプは飽和状態からの回復に長い時間がかかります。ほぼすべてのオペアンプには内部補償コンデンサがあり、高周波信号のスルーレートが制限されます。その結果、オペアンプは数十マイクロ秒にも及ぶ伝播遅延を伴う不安定なコンパレータになります。
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、フィードバックがアクティブな場合にのみ有効です。一部のオペアンプでは、入力が等しくない場合に静止電流が増加します。
4. コンパレータは、デジタル ロジックと簡単にインターフェイスできる、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された場合に、極端なチャネル間相互作用を示す場合があります。
6. 多くのオペアンプには、入力間に背中合わせのダイオードがあります。オペアンプの入力は通常は連続しているので問題ありません。しかし、コンパレータの入力は通常同じではありません。ダイオードにより、入力に予期しない電流が流れる可能性があります。

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 差動アンプ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、正確な内部基準電圧、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も備えている場合があります。

LM339 などの専用の電圧コンパレータ チップは、デジタル ロジック インターフェイス ( TTLまたはCMOS ) とインターフェイ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、実際の信号をデジタル回路にインターフェイ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、たとえば DC 調整可能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と同等です。電圧がほぼ等しい場合、出力電圧はいずれかのロジック レベルに落ち込まないため、アナログ信号はデジタル領域に入り、予測できない結果になります。この範囲をできるだけ小さくするために、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。非常に高い周波数の場合、ステージの入力インピーダンスは低くなります。これにより、回復時間が長くなる低速で大きなp-n 接合バイポーラ トランジスタの飽和が軽減されます。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、パフォーマンスを大幅に向上させますが、それでもアナログ信号を使用する増幅器を備えた回路のパフォーマンスには劣ります。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 つのポートに分散された信号が各アンプの後の電圧と電流のゲインと一致し、抵抗器はレベル シフターとして動作します。

一部のコンパレータ (例: LM339) は、オープン コレクタ出力を使用して、さまざまなロジック ファミリとのインターフェイスをサポートします。反転入力が非反転入力よりも高い電圧の場合、コンパレータの出力は負の電源に接続されます。非反転入力が反転入力よりも高い場合、出力は高インピーダンスになるため、この状態での出力電圧は、外部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。

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。

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られません。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]アプリケーションに応じて、高速コンパレータか電力を節約するコンパレータを選択します。たとえば、MAX9027、^[7] LTC1540、^[8] LPV7215、^[9] MAX9060、^[10]および 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 パッケージのナノパワー コンパレータは、超低電力のポータブル 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作成するための緩和発振器回路を実装するためにコンパレータが必要な場合は、伝播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]、MAX9601（PECL出力）^[17]などは、優れた高速コンパレータの例です。

コンパレータは通常、入力間の電圧がほぼ 0 ボルトを通過す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により、入力電圧の差が 0 ボルトに近い場合に 2 つの出力状態間で望ましくない急激な変化が発生する可能性があります。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。高レベル トリップ値 (VTRIP+) と低レベル トリップ値 (VTRIP-) の差は、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、フィードバック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 バンド内の信号を処理できなくなります。

コンパレータには2つの出力状態しかないため、その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共通エミッタ出力を持ち、出力と各レールの間に小さな電圧降下を生じます。その降下は飽和トランジスタのコレクター-エミッタ電圧に等しくなります。出力電流が少ない場合、飽和MOSFETに依存する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 ドレインまたはプッシュ プルに分類することもできます。オープン ドレイン出力段を備えたコンパレータは、ロジック ハイ レベルを定義する正電源への外部プルアップ抵抗を使用します。オープン ドレイン コンパレータは、混合電圧システム設計に適しています。出力はロジック ハイ レベルに対して高インピーダンスであるため、オープン ドレイン コンパレータを使用して、複数のコンパレータを 1 つのバスに接続することもできます。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、電流を供給することもできます。

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製造業者は、リファレンス電圧がチップに統合され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]

連続コンパレータは、入力に高または低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。ただし、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、特定のインスタンスでのみコンパレータ出力が必要です。コンパレータを一定の間隔でストローブするだけで、クロック付き (または動的) コンパレータ構造 (ラッチ付きコンパレータとも呼ばれます) でより高い精度とより低い電力を実現できます。多くの場合、ラッチ付きコンパレータは、クロックが高のときに「再生フェーズ」に強い正のフィードバックを使用し、クロックが低のときに「リセットフェーズ」を使用します。^[33] これは、リセット期間がないため弱い正のフィードバックしか使用できない連続コンパレータとは対照的です。

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アンプと同等であるため、ヌル検出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と呼ばれる）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。電圧差の大きさにアンプのゲインを掛けた値が電圧制限内にあるときは常にゼロの出力が与えられます。たとえば、ゲインが10 ⁶で電圧制限が±6 Vの場合、電圧差が6 μV未満のときはゼロの出力が与えられます。これは測定における基本的な不確実性と言えます。^[34]

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、出力は正のパルスの場合はHI（高）で、負のパルスの場合はLO（低）となり、入力信号を2乗します。^[35]

コンパレータは緩和発振器の構築に使用できます。これは正帰還と負帰還の両方を使用します。正帰還はシュミットトリガー構成です。トリガー単体では、双安定マルチバイブレーターです。しかし、RC回路によってトリガーに追加された低速の負帰還により、回路は自動的に発振します。つまり、RC回路を追加すると、ヒステリシス双安定マルチバイブレーターが非安定マルチバイブレーターに変わります。^[36]

この回路には、LM393、^[37] TLV3011、^[38]またはMAX9028のようなオープンドレイン出力を持つ単一のコンパレータのみが必要です。^[7]この回路は、適切なプルアップ電圧を使用することで、変換する電圧を選択する際に大きな柔軟性を提供します。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±5Vロジックをユニポーラ3Vロジックに変換することもできます。^{[24] [27]}

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実行する場合、本質的には1ビットの量子化を実行します。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]

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、特定の入力電圧が低電圧か高電圧かを判断します。

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ロジックゲートを使用して2つの電圧の絶対値を比較します。^[40]

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• 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