コンパレータ

コンパレータの役割とは？

我々を取り巻く環境は、温度/湿度/音/光などどれをみても連続的に変化する量、すなわちアナログ量です。片や我々が使用する装置の中ではディジタル処理を行う製品が大方となっています。このアナログ信号と(装置内の)ディジタル回路とのインターフェース(やり取り)にコンパレータ(比較器)が使われます。
つまりコンパレータは基準とする信号と被比較信号との比較を行い、その比較結果に基づき出力が「０」又は「１」へと変化する機能を有します。
一例として温度がある特定温度(基準温度)を超えたか否かの判断を行う場合があります。この場合にはコンパレータはその時点での温度と特定温度との比較(実際には両温度を電圧値に変換した後に比較を行う)を行い、その比較結果をディジタル値(例.特定値以下：０、特定値以上：１)として出力します。この２値を受け装置内ではディジタル信号の処理が行われます。



この他、アナログ信号に対しアナログ信号処理を施す為にオペアンプが使われます。
オペアンプの役割についてはオペアンプの基礎をご参照願います。

(2006/06)

コンパレータとは？

Comparator（比較器）のことで、基準電圧（Vref）に対して入力信号（アナログ）の電圧が高いか低いかを比較して、結果をハイかロウで出力します。 1ビットのA/Dコンバータとも解釈できます。 オペアンプと同様に5本の端子があり、三角形で表します。 一般的な使用例は、次のとおりです。

コンパレータはどの様な機能部分から構成されていますか？

基本的な回路構成は「差動増幅回路(電圧比較)」と「出力回路」より成り立ちます。「差動増幅回路」では基準端子に印加された基準電圧と他端子に印加された電圧との比較が行われます。次にその比較結果が「出力回路」より出力されます。
尚、UPC177における回路構成を示します。

(2005/12)

コンパレータの電気的特性は概ねオペアンプと同様（V_io，I_bなど）ですがコンパレータの電気的特性に「応答時間」とあります。これは何を規定しているのですか？

コンパレータへの入力信号が基準電圧（V_ref ）を超えてから出力の振幅が５０％に至るまでの時間を規定しています。

(2005/12)

コンパレータ(uPC277)のデータシート：電気的特性に応答時間：1.8μsec(TYP.)との規定があります。

〔応答時間〕


一方、同データシートの特性曲線に、パルス応答特性�T（出力がH⇒Lへ変化）とパルス応答特性�U（L⇒H）では応答時間が異なっています。前出の応答時間の規定をどのように解釈すれば良いのでしょうか。

〔パルス応答特性〕

パルス応答特性�Tと�Uとの比較ではパルス応答特性�Uの方が応答時間を要します。パルス応答特性として電気的特性に記載する場合には、悪い特性値(応答時間であれば遅い時間の方)をご提示し、お客様の危険を回避しています。
従いまして出力がLからHとなるパルス応答特性�Uのケースにて規定をしています。

(2007/02)

入力電圧について、uPC177の同相入力電圧範囲は ０〜Ｖ^＋ −１．５Ｖ となっています。
電源は Ｖ^＋ ＝ １２Ｖ （単電源）で使っているので 10.5V まで使えると思っています。

左の回路で使っていますが、基準電圧が 10V の場合、 入力電圧（比較する電圧）が 10V 以上になってしまいますが動作するのでしょうか？

はい、一方の入力端子電圧が『同相入力電圧範囲』であれば（この場合は非反転入力端子）正常に動作します。
この場合、もう一方の端子は 0〜36V の範囲で正常に動作します。

uPC272の入力電圧がおかしいのですが。
一方の入力を 0V にしています。もう一方に 9V掛けようとすると入力に大きな電流が流れてしまいます。
この ICは壊れているのでしょうか？

uPC272は差動電圧（VID）は 5Vです。従って、入力端子間の電圧差を 5V以下にしなければなりません。
この製品は高速動作をする為に入力の差動アンプには通常のトランジスタを使っています。
このため差動入力電圧に制限がありますのでご注意ください。
この値を超えますと入力トランジスタの E−B間が逆耐圧を越えて破壊します。
一度でもこの電圧を越えてしまうと、見かけ上は正常に動作しているように見えても、 内部では破壊（入力トランジスタの hfe低下など）が始まっていますのでご使用にならないようお願い致します。

オーバドライブとは？

コンパレータの伝達特性を測定する時の条件で、入力電圧が基準電圧を越えて、どれだけ余分に変化させるかという差動入力電圧です。



オーバドライブ量によって出力遅延時間が異なるため、設計時には注意が必要です。また特性比較時には、オーバドライブ量の条件をそろえることが重要です。

コンパレータはオペアンプとして使えますか?

使えますが、位相補正コンデンサを内蔵していないので、負帰還をかけると発振します。このため、大容量のコンデンサを出力に接続する必要があり、スピードが極端に遅くなるので、実用的ではありません。

複数チャネル内蔵で、使用しないコンパレータの処理は？

入力端子をオープンのままにしても破壊はしません。しかしながら、未使用回路がどのような振る舞いをするか不定ですので、安定にするために入力端子は以下の様に接続します。



■関連FAQ

• オペアンプ/コンパレータ>相違点と共通事項：使用しないオペアンプ、コンパレータに対する空端子処理方法が両者では異なります。どのような理由に依るのでしょうか？

(2005/12)

コンパレータ：uPC393を使用する際に１チャネルを使用しません。未使用チャネルの空端子に対しては推奨処理（５V単電源とし、−入力端子と＋入力端子とを短絡しGND〔0V〕へ接続し、出力端子はオープンとする）を施します。この場合にコンパレータ内部はどの様な動作となりますか？

入力端子を短絡した場合には、データシート記載の等価回路中「入力差動増幅回路：Q₁〜Q₆」におけるオフセット状態(−入力端子と＋入力端子に連なるトランジスタのV_BE差による増幅電圧が入力差動増幅回路より出力される)によって出力トランジスタ：Q₈がONもしくはOFF状態となります。
尚、出力端子がオープンであることから空チャネルの出力電流が他チャネルに影響することはありません。

〔UPC393等価回路〕

■関連FAQ：オペアンプ>特性>オフセット電圧とは？

(2007/01)

uPC393(V⁺:15V、V^-:GNDと設定)を使用し、+24Vへと接続された抵抗性負荷に対し直接の駆動を予定しています。この様な応用に際し、もともとUPC393の出力端子(オープンコレクタ)-GND間に印加できる最大電圧値はいくらなのでしょうか？

オープンコレクタタイプの出力耐圧(Vo)は絶対最大定格としてV^-−0.3V〜V^-＋36Vと規定しています。V^-がGNDに接続されていることから印加できる最大電圧値は＋36Vとなります。

(2006/04)

SWのON−OFFで比較動作をします。しかし、 SW−OFFのとき、＋入力に約１mAほどの電流が流れ込んでいるようです。これは正常で しょうか？

図１  使用回路

上記の症状は入力差動段Ｑ１，Ｑ２のV_EB耐圧を越えていることから起っていると思います。
UPC319の±入力端子間の絶対最大定格は、|±５Ｖ|＝５Ｖです。

図２  UPC319  等価回路


対策としては、3.3KΩをV^＋=10Vより低い電圧、例えば＋５Vにプルアップしてください。

(2007/08)

ウィンドウ・コンパレータとは

ウィンドウ・コンパレータは２つの基準電圧を持ち、入力信号がこの２つの基準電圧内にある場合に出力が変化(下記構成例ではHレベルとなる)します。

以下に出力がオープン・コレクタタイプの単電源コンパレータを用いた構成例とその動作を説明します。



【動作】
入力信号(ＶＩ)の変化に伴う出力信号(VO)の変化を下表に示します。

＊：	コンパレータの出力がオープンコレクタ形式であることから下図の様に出力トランジスタがOFF時にはコンパレータ出力は外付け抵抗(R)によりHレベルとなります。

＊＊：	構成例の回路ではコンパレータの２出力がワイヤードORになっています。従ってコンパレータの両出力がHレベルの場合、VOはHレベルとなり、いずれかの出力がLレベルの場合にVOはLレベルとなることを応用しています

尚、この入力信号（ＶＩ）と出力信号（ＶＯ）との関係は下図となります。

(2008/02)

単電源デュアル・コンパレータ：uPC３９３のデータシートに「応用回路２（ヒステリシス付き）」が掲載されています。この回路はどの様な動作をするのですか

この回路は、入力信号に多少のノイズが含まれていても、出力に影響しないことを特徴としています。現在の入力条件だけでなく、過去の入力条件も出力に影響することをヒステリシスと呼びます。
【動作】
OUTPUTとVrefの電位差をR_２、R_１で分割して＋入力端子に正帰還することで、しきい値電圧にヒステリシスを与えることができます。これによって、ヒステリシス幅以内の電圧のノイズを除去できます。
具体的な動作としてINPUTが十分に低い状態から電圧が上昇した場合(�@)、 OUTPUTはハイレベルを出力するため、 R_１には正の電圧降下（R₁の「VREF端子につながる端子」より「＋入力端子につながる端子」の方が高い電位）が生じ＋入力端子の電圧はVTH（High）となり、INPUTがこの電圧に達するまではこの状態を保ちます。INPUT がVTH（High） を越えた瞬間(�A)、OUTPUTはロウレベルとなり、同時にR_１の電圧降下は負（R₁の「VREF端子につながる端子」より「＋端子につながる端子」の方が低い電位）となり＋入力端子の電圧はVTH （Low）となります。この後INPUTを上昇させてもOUTPUTはロウレベルのままです(�B)。次に、 INPUTを徐々に下げた場合、 INPUT＝ VTH （Low）に至るまでOUTPUTはロウレベルを保ちます(�C)が、 VTH （Low）以下になる(�D)と再びOUTPUTはハイに反転し最初の状態に戻ります。

(2008/02)