適切なコンパレータの選択

コンパレータは、多くの場合、兄であるオペアンプ(オペアンプ)の影の中にあります。 その謙虚な状態は現代コンパレータを区別し、それらに基本的な仕事のための理想をする特徴によって相殺される:2つの電圧を比較すること。 この記事では、コンパレータの機能について説明し、コンパレータを選択する際に考慮すべきパラメータについて説明します。

コンパレータの機能

コンパレータは、二つのアナログ信号を受け入れ、入力電圧が高い関数である出力にバイナリ信号を生成します。 差動入力電圧が変化すると、出力信号は一定のままになります。 このように説明すると、コンパレータは1ビットADCに似ています。

コンパレータとオペアンプの比較

負帰還なしで動作するオペアンプは、高い電圧利得により入力電圧の非常に小さな差を解決できるため、コンパレータとして機能することができます。 この方法で使用されるオペアンプは、一般的にコンパレータよりも遅く、ヒステリシスや内部リファレンスなどの他の特別な機能が欠けています。
コンパレータは、一般的にオペアンプとして使用することはできません。 これらは、オペアンプを非常に汎用性の高い周波数応答補正を犠牲にして、優れたスイッチング時間を提供するように調整されています。 多くのコンパレータに採用されている内部ヒステリシスは、出力での発振を防止し、オペアンプとしての使用も防止します。

電源電圧

コンパレータは、オペアンプで使用されるのと同じ電源電圧で動作します。 多くの古いコンパレータはバイポーラを必要とします（例えば、±15V）または36V高い単極供給電圧。
しかし、ほとんどの新しいアプリケーションでは、コンパレータは、通常、バッテリ駆動デバイスに見られる低ユニポーラ電圧の範囲内で動作します。 コンパレータの最新のアプリケーションでは、低消費電流、小型パッケージ、および(場合によっては)シャットダウン機能が必要です。 たとえば、MAX919、MAX9119、およびMAX9019コンパレータは、1.6Vまたは1.8V～5.5Vの電圧で動作し、最大値は1になります。全温度範囲で2µ a/2µ aで、SOT23およびSC70パッケージで提供されます。 コンパレータのMAX965およびMAX9100ファミリは、それぞれ1.6Vおよび1.0Vという低い電源電圧で動作します。 表1を参照してください。
表1. MAX9015-MAX9020選択ガイド

小型パッケージのコンパレータ

MAX9025-MAX9098ファミリのような低消費電流が1µ aの省スペースチップスケールパッケージ(UCSP)のナノパワーコンパレータは、超低電力システムアプリケーションに最適です。 小型5ピンSC70パッケージで提供されるMAX9117-MAX9120シングルコンパレータファミリは、選択、プッシュプル、またはオープンドレインの2つの出力を備えた超低600naの電源電流を特長としています。 表2を参照してください。 これらのコンパレータは、すべての2セルバッテリ監視/管理アプリケーションに最適です。
表2. Tiny Space-Saving Comparators

Package	Part	Comparator(s)	Int. Reference	Output	Supply Current (µA)
6-UCSP	MAX9025	1		Push-pull	1.0
6-UCSP	MAX9026	1		Open drain	1.0
6-UCSP	MAX9027	1		Push-pull	0.6
6-UCSP	MAX9028	1		Open drain	0.6
5-SC70	MAX9117	1		Push-pull	0.6
5-SC70	MAX9118	1		Open drain	0.6
5-SC70	MAX9119	1		Push-pull	0.35
5-SC70	MAX9120	1		Open drain	0.35

基本的なコンパレータの機能

コンパレータは、通常、入力間の電圧が約ゼロボルトを横切ると、出力状態を変更します。 入力に常に存在する小さな電圧変動は、非常に小さな電圧差を生成します。 電圧差がゼロボルトに近い場合、コンパレータの出力状態に望ましくない変化を引き起こす可能性があります。 この出力発振を防止するために、数ミリボルトの小さなヒステリシスが多くの最新のコンパレータに内蔵されています。 一つのスイッチングポイントの代わりに、ヒステリシスは二つを導入します: 1つは立ち上がり電圧、もう1つは立ち下がり電圧です(図1)。 上位レベルのトリップ値(VTRIP+)と下位レベルのトリップ値(VTRIP-)の差は、ヒステリシス電圧(VHYST)に等しくなります。 ヒステリシスを持つコンパレータの場合、オフセット電圧(VOS)は単純にVTRIP+とVTRIP-の平均値になります。

図1. スイッチのスレッショルド、ヒステリシス、およびオフセット電圧。
ヒステリシスのないコンパレータの場合、コンパレータを切り替えるのに必要な入力間の電圧差は、理想的なコンパレータに必要なゼロ電圧ではなく、オ ただし、オフセット電圧（およびその結果、スイッチング電圧）は、温度および電源電圧によって変化します。 この依存性の測定値の1つが電源除去比(PSRR)であり、これは公称電源電圧の変化とその結果生じるオフセット電圧の変化との関係を示しています。

理想的なコンパレータの入力は無限に高い入力抵抗を示すため、入力に電流は流れません。 しかし、実際のコンパレータの場合、入力に流れる電流は、入力に接続されている任意の電圧源の内部抵抗を通って流れるため、誤差電圧が発生します。 バイアス電流(IBIAS)は、2つのコンパレータ入力電流の中央値として定義されます。 たとえば、MAX917およびMAX9117コンパレータファミリの場合、最大IBIAS電流は全温度範囲で2nAであり、室温では1nA未満、TA=+25°Cです。 See Table 3.
Table 3. Low IBIAS

As lower supply voltages become common, Maxim expanded the input-voltage range of comparators beyond the supply voltages. マキシムのコンパレータの中には、2つのnpn/pnp入力段の並列スイッチングを採用しているものもあります。これにより、各電源レールを超える250mVまでの入力電圧が可能になりました。 このようなデバイスは、Beyond-the-Railコンパレータと呼ばれます。 利用可能な入力同相モード電圧の範囲は、コンパレータのデータシートに記載されています。 たとえば、ナノパワコンパレータファミリのMAX9015~MAX9020、MAX9025~MAX9028、およびMAX9117~MAX9120はすべて、レールを超えて200mVまで拡張するコモンモード入力電圧範囲を備えています。 コンパレータのMAX9060~MAX9064ファミリは、2つのESDダイオードクランプを入力段としてスイッチングするのとは異なり、異なる入力段アーキテクチャを実装しているため、入力電圧が電源電圧を数ボルト上回ることができます。

コンパレータ出力

コンパレータの出力状態は二つしかないため、出力はゼロまたは電源電圧の近くにあります。 バイポーラ-レール-ツー-レール-コンパレータは、出力と各レールの間に小さな電圧降下を生成するコモン-エミッタ出力を備えています。 この降下は、飽和トランジスタのコレクタ-エミッタ電圧に等しい。 出力電流が軽い場合、飽和MOSFETに依存するCMOSレールツーレイルコンパレータの出力電圧は、バイポーラ対応のものよりもレールに近い範囲になります。
コンパレータを選択するための一つの基準は、信号が入力に印加された後、その出力がその状態を変化させるのにかかる時間です。 この伝搬時間は、出力ドライバの部品間の伝搬遅延と立上り/立下り時間も考慮する必要があります。 たとえば、MAX961やMAX9010~MAX9013のような非常に高速なコンパレータは、標準伝搬遅延がわずか4.5nsまたは5ns、立上り時間が2です。それぞれ3nsおよび3ns。 （伝搬遅延測定には立ち上がり時間の一部が含まれていることに注意してください）。 伝播時間に影響するさまざまな影響に注意する必要があります(図2)。 これらの要因には、温度、負荷容量、およびスイッチングスレッショルドを超える電圧駆動(入力オーバドライブ)が含まれます。 伝搬時間は、反転入力の場合はtPD-、非反転入力の場合はtPD+と呼ばれます。 TPD+とtPD-の違いはスキューと呼ばれます。 電源電圧は伝播時間にも強い影響を与えます。

図2. 伝播時間に対する外部の影響の影響。
特定のアプリケーションでは、高速または省電力のコンパレータのいずれかを選択します。 マキシムは、この目的のために、MAX919(800nA、30μ s)からMAX9075(6μ A、540ns)、MAX998(600μ A、20ns)からMAX961(11mA、4.5ns)、MAX9140(165μ A、40ns)からMAX9203(1.3mA、7ns)、およびMAX9107(1.3mA、7ns)350µ a、25ns)をMAX9010(900µ a、5ns)に変換します。 MAX9010(SC70パッケージ内)は、5nsの伝搬時間と900µ aの消費電流で、これらのパラメータにおける有用な妥協点を表しています。
伝搬遅延が500psの超高速ECLおよびPECL出力については、MAX9600/MAX9601/MAX9602の製品ファミリを参照してください。

特定のコンパレータについてのコメント

コンパレータの最も頻繁なアプリケーションは、電圧と安定したリファレンスとの比較です。 マキシムは、リファレンス電圧がチップ上に集積された様々なコンパレータを提供しています。 リファレンスとコンパレータを1つのチップに組み合わせることで、省スペースになるだけでなく、外付け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。 たとえば、MAX9117のデバイスファミリは、全温度範囲で最大1.6µ A(リファレンスを含む)しか必要としません。 MAX44268は、全温度範囲で最大1.4µ A(リファレンスを含む)しか必要としません。 統合された参照の精密は1%から4%まで普通及ぶ。 しかし、高精度のために、コンパレータのMAX9040ファミリのリファレンスは、0.4%の初期精度と最大30ppm/°Cの温度ドリフトを提供します。
デュアルコンパレータのMAX9017/MAX9018、MAX923、MAX933およびMAX967/MAX968、およびオープンドレイン出力のデュアルコンパレータのMAX973、MAX983は、ウィンドウコンパレータアプ これらすべてのデバイスに内蔵されたリファレンスは、コンパレータの反転入力または非反転入力に接続できるため、過電圧および低電圧スレッショルドは3つの外付け抵抗で実装することができます。 また、これらの部品はヒステリシスピンも備えています。 2つの外付け抵抗を追加することで、図1に示すように、このピンはヒステリシス-スレッショルドを追加することができます。 MAX912/913のような一部のコンパレータは相補的な出力を提供します。つまり、相対的な入力極性の変化のために互いに反対方向に遷移する2つの出力を提供します。
高速伝搬遅延(5mvオーバードライブで1ms(typ))により、MAX9201/MAX9203は、レシーバ、V/Fコンバータ、および他の多くのデータ判別アプリケーションのような高速Adcおよびサ
MAX9107/MAX9108/MAX9109のような他の高速、低電力コンパレータは、業界標準のコンパレータMAX907/MAX908/MAX909への低コストのアップグレードです。 MAX9013は、業界標準のMAX913およびLT1016/LT1116に代わる改良されたプラグインです。 デュアルコンパレータMAX9107は、省スペースの8ピンSOT23パッケージで提供されます。 シングルコンパレータMAX9109は小型6ピンSC70で提供され、クワッドコンパレータMAX9108は14ピンTSSOPで提供されます。 表4および図3を参照してください。
表4. 超高速コンパレータ

図3. SC70パッケージのコンパレータの最適な速度/電力選択の図。

アプリケーション

このセクションでは、コンパレータを必要とする三つのアプリケーシ
最初の例のアプリケーションは、3Vロジックから5Vロジックへのレベルシフタです。 図4に示すように、この回路はMAX986のようにオープンドレイン出力を備えた単一のコンパレータのみを必要とします。 この回路は、変換され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を使用することにより、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可能です。 このアプリケーションでは、どのピンでも許容される最大電圧を超える電圧がないこと、および出力への電流が十分に大きな値のプルアップ抵抗によ

図4。 3Vから5Vロジックへのレベル変換。
図5の回路は、頻繁に発生する別の問題を解決します。 図のように構成された単一のユニポーラ-コンパレータは、バイポーラ入力信号(この場合は正弦波)をユニポーラ-デジタル出力信号に変換します。 必要なオフセット電圧は次のように計算されます。


図5. バイポーラ入力信号を備えたユニポーラコンパレータ。
上の図5に示すように、2つの等しい値の抵抗(r4とラベルされた)は、電源電圧の半分でコンパレータのトリップスレッショルドを確立します。 図6の回路では、4つのコンパレータ出力が、入力電流レベルの4つの範囲の1つを示す温度計ゲージを形成しています。 シャント抵抗は入力電流を電圧に変換し、抵抗R1とr2は所望のリファレンス電圧レベルに必要なオペアンプのゲインを設定します。 抵抗R4～R7は、所望のデジタル出力のスレッショルドを示します。

図6. 電流測定を4つの範囲のいずれかに分割します。
この記事の同様のバージョンは、ECNマガジンのJuly1,2001号に登場しました。