入力電圧の電圧範囲を見守る回路
図1は，U1とU2のコンパレータ(比較器)を使い，入力電圧がしきい値の電圧範囲(ウィンドウ)に収まっているかをディジタル値(High/Low)で判定するウィンドウ・コンパレータです．
図2に，V1を0Vから5VへスイープしたときのOUT端子の電圧を示しました．図1のOUT端子の電圧の応答として正しいのは，図2の(a)～(d)のどれでしょうか．
ここで，U1とU2の出力方式は，NPNトランジスタを使用したオープン・コレクタでディジタル値を出力します．BとSの端子はオフセット調整用なので，ここでは何も接続していません．
X軸：V1の電圧，Y軸：OUT端子の電圧
(a)の応答 (b)の応答 (c)の応答 (d)の応答
コンパレータは，入力電圧としきい値となる電圧を比較し，ディジタル信号のHigh/Lowの2値を出力します．図1のU1のコンパレータのしきい値が1V，U2のコンパレータのしきい値が2Vです．U1とU2のコンパレータ出力は，R1に接続しており，V1の電圧をスイープしたときの各々のコンパレータ出力のHigh/Lowの関係から，OUT端子の論理がどうなるかを検討すると分かります．オープン・コレクタ出力とは，スイッチとなるトランジスタのコレクタが直接OUT端子に出ている回路方式で，外部で負荷を接続（図1ではR1）することにより，ディジタル信号のHighとLowになります．
図1のU1のコンパレータは，V1が非反転端子へ，1Vのしきい値電圧が反転端子へ印加されております．U1の出力は，V1が1V以下でLow，それ以外がHighとなります．一方，U2のコンパレータは，V1が反転端子へ，2Vのしきい値が非反転端子へ印加されています．U2の出力は，V1が2V以上でLow，それ以外はHighとなります．
U1とU2のコンパレータの出力は，NPNトランジスタのオープン・コレクタ出力であり，コンパレータの出力がLowのとき，電流を吸い込む(ドレイン電極からソース電極)方向に流れます．U1とU2のコンパレータ出力は，R1に接続されているので，どちらかのコンパレータ出力がLowになると，電源のV+からR1を通って電流が流れ，OUT端子の電圧はLowとなります．このことから，V1が1V以下と2V以上の2つの状態でR1に電流が流れ，OUT端子の電圧はLowとなります．また，1Vと2Vの間は，U1とU2のコンパレータ出力はHighですので，R1に電流が流れずOUT端子の電圧はHighとなります．この応答を表しているのは，図2(d)となります．
ウィンドウ・コンパレータは，しきい値が2つあり，2つのしきい値の内側と外側で出力のHigh/Lowが変わります．この内側と外側の境界を窓枠に例え，内側で景色が見え，それ以外では見えないという2値であることにちなんで，ウィンドウ・コンパレータと呼ばれています．使用例としては，信号電圧等の調整において，2つのしきい値の内側に入ったときにLEDを点灯，外側は消灯というような回路等に用いられます．
ここでは，図1のオープン・コレクタ出力のコンパレータを使ったウィンドウ・コンパレータの動作をシミュレーションで確認します．また，コンパレータの出力方式にはレール・ツー・レール出力などもあり，この出力方式を使ったウィンド・コンパレータの注意点も解説します．
●コンパレータの出力方式について
コンパレータの出力方式を大別すると「外部負荷を必要」あるいは「外部負荷を必要としない」の2つになります．図3は，コンパレータの出力方式を表した簡易図です．図3(a)のオープン・コレクタ出力は，外部負荷を必要とする出力方式です．負荷が無いとコレクタはオープンなので電流が流れず動きません．図3(b)のようなレール・ツー・レール出力は，外部に負荷がなくてもHigh/Lowの信号が出力されます．オープン・コレクタ出力は，コンパレータ出力段がバイポーラ・トランジスタのときの名称で，MOSトランジスタのときはオープン・ドレイン出力と呼びます．
オープン・コレクタ出力は，負荷を接続しなければならないという煩わしさがあります．しかし，利点として物理的な結線で論理回路が構成できます．図1は，その回路例で，U1とU2のオープン・コレクタ出力を共通の負荷抵抗（R1）に物理的に結線し，両方のコンパレータ出力の論理がHighのときだけR1に電流が流れず，OUT端子がHighとなるAND回路となっています．図1のウィンドウ・コンパレータを図3(b)のレール・ツー・レール出力のコンパレータにすると，どちらかのコンパレータがHigh，他方がLowのとき，U1とU2のコンパレータ間に大電流が流れ，破壊することも考えられます．
オープン・コレクタ出力のもう1つの利点として，負荷抵抗につながる電源を変えれば，Highに相当する電圧を変えることができます．例えば，コンパレータの電源が5V，負荷抵抗の電源を3.3Vにすれば，3.3Vの論理回路へ信号を渡すことができます．
●ウィンドウ・コンパレータのシミュレーション
図4は，図1をシミュレーションする回路です．V1を直流解析で0V～5Vを1mVのステップでスイープし，OUT端子の電圧とU1とU2のコンパレータ出力の吸い込み電流をプロットします．
図5は，図4のシミュレーション結果です．上段がOUT端子の電圧，中段がコンパレータU1の吸い込み電流，下段がコンパレータU2の吸い込み電流です．U1のコンパレータは，V1が1V以下で電流を吸い込みます．U2のコンパレータはV1が2V以上で電流を吸い込みます．1Vと2Vの間はどちらのコンパレータも電流を吸い込みません．
U1とU2の吸い込み電流は，V+からR1を通り流れますので，OUT端子の電圧は1Vと2Vの内側でHigh，外側でLowとなり，解答(d)の応答となります．吸い込み電流は，コンパレータのLowの電圧を0Vと近似すれば，約500μA(5V/10kΩ)となり，図5の電流値とほぼ合っています．
・上段はOUT端子の電圧
・中段はコンパレータU1の吸い込み電流
・下段はコンパレータU2の吸い込み電流
●レール・ツー・レールのコンパレータに変更
図6は，図4のコンパレータを，レール・ツー・レール出力のコンパレータへ変更したウィンドウ・コンパレータです．図4と同じように，V1を直流解析で，0V～5Vを1mVのステップでスイープし，OUTの電圧とU1とU2のコンパレータ出力の吸い込み電流をプロットします．
図7は，図6のシミュレーション結果です．上段がOUT端子の電圧，中段がコンパレータU1の吸い込み電流，下段がコンパレータU2の吸い込み電流です．OUT端子の電圧は，図5のオープン・コレクタ出力と同じです．しかし，U1とU2の吸い込み電流と吐き出し電流は±30mAと大きな電流が流れてしまいます．これは，前述の「コンパレータの出力方式について」で解説したように，どちらかのコンパレータ出力がHigh，他方がLowのとき，U1とU2の出力を通して大電流が流れてしまい，良い回路とは言えません．
●レール・ツー・レールのコンパレータにダイオードを加える
図8は，U1とU2のコンパレータ出力とR1の間に，D1とD2のダイオードを加えた回路です．ダイオードは，アノード(+)からカソード(-)方向に電流を流し，その逆は流れません．よって，図8のようにダイオードを接続すると，U1とU2のコンパレータは吸い込み電流は流れますが，吐き出し電流は流れなくなります．
図9は，図8のシミュレーション結果です．上段がOUT端子の電圧，中段がコンパレータU1の吸い込み電流，下段がコンパレータU2の吸い込み電流です．U1とU2のコンパレータ出力の吐き出し電流が流れないため大電流が流れることなく，吸い込み電流は，図5の電流とほぼ同じになります．OUT端子のLow電圧は，ダイオードを加えたことにより，その順方向電圧分だけ増加します．
U1とU2の吸い込み電流は図5とほぼ同じになる．
以上，解説した通り，図1のように，オープン・コレクタ出力のコンパレータを2つ使い，2つのしきい値の内側がHigh，外側がLowとなるウィンドウ・コンパレータが作れます．レール・ツー・レール出力のコンパレータを使うときは，ダイオードを加え，吐き出し電流を流さない工夫でウィンドウ・コンパレータを作ることができます．コンパレータの出力方式は，三角の形をした回路図記号から分かりませんので，データシートで確認することが必要となります．
解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice5_046.zip
●データ・ファイル内容
Window_comparator.asc：図4の回路
Window_comparator_using_Rail_to Rail_output_1.asc：図6の回路
Window_comparator_using_Rail_to Rail_output_2.asc：図8の回路
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