入力電圧の電圧範囲を見守る回路



『LTspice Users Club』のWebサイトはこちら

■問題
アナログ回路の基礎 ― 基礎

平賀 公久 Kimihisa Hiraga

 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.


図1 ウィンドウ・コンパレータ回路


図2 OUTの電圧の応答が正しいのはどれでしょうか?
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

■ヒント

 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.

■解答


(d)の応答

 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.


■解説

 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.


図3 コンパレータの出力方式を表した簡易図

 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4 図1をシミュレーションする回路

 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.


図5 図4のシミュレーション結果
・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6 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.

 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.


図7 図6のシミュレーション結果 U1とU2の出力は大電流が流れてしまう.

●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8 図6へダイオードを追加したウィンドウ・コンパレータ

 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.


図9 図8のシミュレーション結果
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.


■データ・ファイル

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

■LTspice関連リンク先


(1) LTspice ダウンロード先
(2) LTspice Users Club
(3) トランジスタ技術公式サイト LTspiceの部屋はこちら
(4) LTspice電子回路マラソン・アーカイブs
(5) LTspiceアナログ電子回路入門・アーカイブs
(6) LTspice電源&アナログ回路入門・アーカイブs
(7) IoT時代のLTspiceアナログ回路入門アーカイブs
(8) オームの法則から学ぶLTspiceアナログ回路入門アーカイブs

トランジスタ技術 表紙

CQ出版社オフィシャルウェブサイトはこちらからどうぞ

CQ出版の雑誌・書籍のご購入は、ウェブショップで!


CQ出版社 新刊情報



トランジスタ技術SPECIAL

TRSP No.153 ずっと使える電子回路テクニック101選

ディジタル信号処理シリーズ

プログラム101付き 音声信号処理

Interface 2021年2月号

作るOS・言語・コンパイラ 低レイヤ入門

CQ ham radio 2021年 1月号

2021年のアマチュア無線

HAM国家試験

第4級ハム国試 要点マスター2021

アナログ回路設計オンサイト&オンライン・セミナ