入力ピンの2つの電圧レベルを比較し、出力を生成して、どちらの入力電圧が他方よりも高い電位を持っているかを示すコンパレータ回路の基本機能。

この記事では、IC 741、IC 311、ICLM339などの一般的なICを使用してコンパレータ回路を正しく設計する方法を詳しく学習します。

コンパレータとオペアンプの違い

IC 741はシングルオペアンプの理想的な例であり、ICLM311は専用のシングルコンパレータの良い例と見なすことができます。

“次の通信メディアのうち、無線送信のタイプはどれですか？ ”

これらのユニットは両方とも、内部で同一の「三角形」の形をしたデバイスシンボルを持っています。これは通常、コンパレータ回路の描画に認識され、使用されます。ただし、これら2つの形式のコンパレータの出力応答には、いくつかの大きな違いがある場合があります。

オペアンプとコンパレータはどちらも入力ピンで差動信号を比較するように構成できますが、2つの対応するものの主な違いは次のとおりです。

電源が入った状態では、オペアンプの出力は入力ピンの電圧レベルに応じて正または負になりますが、開くことはできません。対照的に、コンパレータ出力は、オープンまたは接地（負）、またはフローティングのいずれかです。
オペアンプの出力は、プルアップまたはプルダウン抵抗なしで動作できますが、コンパレータは、出力段が正常に動作できるようにするために、常に外部プルアップまたはプルダウン抵抗を必要とします。
オペアンプは高利得アンプ回路を構築するために使用できますが、コンパレータはそのようなアプリケーションには使用できません。
オペアンプの出力スイッチング応答は、通常、コンパレータICに比べて遅くなります。

古典的なコンパレータ回路の設計を次の図に示します。

ここでは、非反転（+）入力の電圧が反転（-）入力よりも高い場合は常に、出力は「ハイ」デジタル信号で応答します。反対に、非反転入力電圧が反転入力電圧よりも低い場合は常に、出力はローデジタル信号になります。

上の図を参照すると、一方の入力（この例では反転入力）が基準電圧で構成され、もう一方の入力ピンが入力信号電圧に接続された非反転入力であるコンパレータ回路の標準接続を見ることができます。。

Vinが+ 2Vの基準電圧よりも低い電圧に保持されている間、出力は約-10Vでローのままです。Vinが+ 2Vのすぐ上に増加すると、出力は即座に状態を変更し、約+にハイになります。 10V。-10Vから+ 10Vへの出力でのこの状態変化は、Vinが基準+ 2Vよりも高くなったことを示します。

コンパレータ内部の主要コンポーネントは、非常に高い電圧ゲインに設定されたオペアンプ回路です。コンパレータの動作を正確に調べるために、以下に示すようにIC741の例を取り上げます。

ここでは、反転入力ピン2（-）がグランドまたは0Vレベルを基準にしていることがわかります。正弦波信号は、オペアンプの非反転入力であるピン3に適用されます。この交互に変化する正弦波信号により、画像の右側に示されているように、出力が高出力状態と低出力状態の間で切り替わります。

入力Vinが0Vリファレンス上で1ミリボルトでも移動すると、その差はICの内部高ゲインオペアンプによって増幅され、出力が正の飽和レベルでハイになります。この状態は、Vin信号が0Vリファレンスを上回っている限り持続します。

これで、信号レベルが0 V基準を下回るとすぐに、出力はより低い飽和レベルに駆動されます。この場合も、Vin入力信号が0 V基準レベルを下回っている限り、この状態が維持されます。

上記の説明と画像に示されている波形は、線形に変化する入力信号に対する出力のデジタル応答を明確に示しています。

通常のアプリケーションの場合、基準レベルは0 Vである必要はなく、要件に応じて任意の正のレベルにすることができます。また、必要に応じて、リファレンスを正または負の電源ラインに接続し、入力信号をもう一方の入力ピンに印加することもできます。

コンパレータとしてのIC741の使用

次の例では、効果的に方法を学びますコンパレータとしてオペアンプを使用する

この図では、反転入力ピン（-）に正のリファレンスセットが設定されたオペアンプ回路を見ることができます。出力にはLEDが付いています。

分圧器ネットワークの式を使用して、ICの（-）入力ピンの基準電圧値を計算できます。

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

このリファレンスはICの（-）ピンに関連付けられているため、（+）入力の電圧Vinがこのリファレンスより高くなるか、リファレンスより正になると、出力Voは強制的に正の飽和レベルに切り替わります。

これにより、LEDが点灯し、Vinが基準レベルの+ 6Vよりも正になったことを示します。

逆に、非反転入力（+）が基準ピンとして構成され、Vinが反転入力（-）ピンに適用されている場合、Vin入力が基準値を下回るとすぐに出力がローになり、その逆も同様です。

これにより、LEDが即座にオフになります。

したがって、入力ピンを基準レベルと入力信号に適切に配線することにより、特定の入力信号に対してLEDをオンまたはオフに切り替えることができます。

専用コンパレータICユニットの使用

通常、オペアンプはコンパレータ回路として最適に機能しますが、専用のコンパレータICを使用すると、コンパレータアプリケーション用のオペアンプよりも優れた動作をします。

コンパレータICは、コンパレータ機能用に特別に理想的に設計されており、正と負のレベル間の出力での高速スイッチングなど、改善された応答を示します。

これらのICはノイズに対する耐性が高く、多くの場合、出力を直接負荷の駆動に使用できます。

以下の説明から、いくつかの一般的なコンパレータICについて詳しく学びましょう。

IC311を使用したコンパレータ回路

上の図は、コンパレータIC 311の内部レイアウトとピン配置の詳細を示しています。このICは、+ 15Vから-15Vの範囲で、すべての標準互換レベルであるデュアル電源でも動作するように設計されています。最新のデジタルIC。

IC内部の出力段には、フローティングコレクタ端子とエミッタ端子を備えたバイポーラトランジスタがあります。これは、このトランジスタからの出力を構成できることを意味します。2つの異なる方法で構成できます。

コレクタピン7にプルアップ抵抗を追加し、エミッタピン1を接地し、続いてコレクタを出力として使用します。
コレクターを正の線で結合し、エミッターを出力として使用する。

トランジスタ出力は、外部バッファ段なしで直接リレーやランプなどの小さな負荷を駆動するためにも使用できます。

このICは、バランスと、出力でゲートできるストロボ入力も備えています。

次のセクションでは、このICのいくつかの便利なアプリケーションについて説明します。

上の図は、IC311を次のように構成する方法を示しています。ゼロ交差検出器入力電圧がゼロラインと交差するたびに、入力電圧を検出するコンパレータ。

311の反転入力（-）がアースに接続されているのがわかります。入力信号が正のレベルにある間、出力トランジスタはオンのままになり、出力（トランジスタコレクタ）でロー（この例では-10）を作成します。

入力信号が負になるか0Vを下回るとすぐに、トランジスタがオフになります。これにより、ICのコレクタ出力に正の+ 10Vが生成されます。これにより、入力信号がゼロレベルを上回ったときとゼロレベルを下回ったときを知ることができます。

次の図は、IC311コンパレータを使用してストローブ回路を作成する方法を示しています。

このコンパレータ回路の例では、ピン3の電圧レベルがピン2の基準を超えると、出力ピン7がハイになります。ただし、これは、ピン6ストローブ入力ピンがローまたは0Vのときにのみ発生する可能性があります。

トランジスタのベースに高TTLストロボが印加されると、ピン6がローになり、IC出力トランジスタがオフになり、ピン7がハイになります。

ピン3の入力信号の状態に関係なく、TTL入力がハイに保持されている限り、出力はハイのままです。

ただし、TTL信号がストローブ形式で適用される場合、出力はピン3の入力信号に応答します。簡単に言えば、ピン6がストローブされない限り、出力はハイにロックされたままです。

リレーをコンパレータに接続する方法

次の図は、コンパレータ311を直接使用してリレーを操作する。

ここで、入力ピン2の電圧レベルが0 Vを下回ると、ピン3はピン2よりも正になります。これにより、内部トランジスタのコレクタがオフになり、リレーがオンになります。ザ・リレーの接点必要なスイッチングアクションを実行するために、より重い負荷で配線することができます。

ピン2の（+）入力が0 V未満に留まっている限り、リレーはオンのままです。逆に、ピン2で正の信号が利用できる場合、リレーはオフのままになります。

IC339を使用したコンパレータ回路

IC 339は、LM339とも呼ばれ、クワッドコンパレータICです。つまり、以下に示すように、入力と出力がICパッケージのそれぞれの外部ピンを介して適切に終端されている4つの個別の電圧コンパレータが含まれています。

他のコンパレータと同様に、各コンパレータブロックには2つの入力と1つの出力があります。 ICがVccと接地電源ピンの両端に電圧を印加することによって電力が供給されると、すべてのコンパレータに一緒に電力が供給されます。したがって、単一のコンパレータが使用されている場合でも、他の3つすべてがある程度の電力を消費します。

“単極双投スイッチ図 ”

すべてのコンパレータはまったく同じ特性を持っているため、これらのいずれかを分析して、基本的なコンパレータ機能を学ぶことができます。

入力端子間に正の差動入力が印加されると、つまり、印加された信号の差が正の場合、出力トランジスタがオフになります。これにより、出力に開回路またはフローティングオープンが表示されます。

差動入力が負の場合、つまり入力ピンで印加された信号の差が負の場合、コンパレータの出力トランジスタがオンになり、コンパレータの出力ピンが負またはV電位になります。

上の図を参照すると、ICの非反転（+）入力をリファレンスピンとして使用すると、反転入力ピン（-）でこのリファレンスよりも低い電圧が出力になります。コンパレータが開きます。一方、（-）をリファレンスピンとして使用する場合、（+）入力の電圧レベルがリファレンスよりも高いと、出力が負またはV-になります。

IC 339がコンパレータのようにどのように機能するかを学ぶために、次の例では、ICをゼロ交差検出器として示しています。