電子工作「オペアンプ：コンパレータ回路の設計方法」のご紹介
ご訪問ありがとうございます。
今回は、電子工作「オペアンプ：コンパレータ回路の設計方法」についてご紹介します。
「コンパレータ回路」について
微小なセンサなどの電圧を検出して、デジタル回路へのセンサ入力とするような場合で、センサ信号の電圧の大きさを判定して、デジタル回路にHigh/Lowで伝達するときには、オペアンプの仲間であるコンパレータというアナログICを使います。
内部はオペアンプの原理と同じで、非常に大きな増幅度であり、差動入力のほんのわずかの差を検出することが可能です。
適当な感度にするためのテクニック「ポジティブフィードバック(正帰還)」
しかし、実用的にはあまり感度がよすぎても使いにくいので、適当な感度にするためのテクニックがあります。それがポジティブフィードバック(正帰還)と呼ばれる方法です。
シュミット回路/ヒステリシス回路
ポジティブフィードバック回路は、シュミット回路とか、ヒステリシス回路とも呼ばれています。
コンパレータのヒステリシス
基本的な回路構成は下図（コンパレータのヒステリシス）のようにし、基準電圧Etが比較の基準になります。この回路では、出力電圧をR2とR3で分圧した下式で表される電圧がヒステリシスとなり、出力を反転させるためには、入力は基準電圧よりこのヒステリシス分だけ余分な電圧が必要です。
このヒステリシスがあることで、ノイズなどのわずかの電圧差でコンパレータが動作して不安定になるのを防ぐことができます。
抵抗の値の決め方
実際のR1、R2、R3の値の決め方は、R1とR3はバランスをとるため同じ値とします。通常は数kΩを使います。あとはヒステリシスをどの程度にするかでR2を決めますが、普通はヒステリシスは数10mV以下とします。
「コンパレータ回路例」について
実例として、5V単電源で入力電圧が1Vを基準にした、コンパレータ回路を考えてみます。使うコンパレータICはモトローラ社の「LM393」です。このICの出力はオープンコレクタとなっていて、出力のプルアップ抵抗が必要になりますが、コンパレータの次段がオペアンプと異なる電圧を使っていても、問題なく次段の電圧に合わせることができるので便利です。
コンパレータの実用回路
実用回路は下図（実用コンパレータ回路）のようになります。まず基準となる1Vは、電源電圧を抵抗で分圧してつくることとします。12kΩと3kΩの抵抗で5Vを分圧して基準の1Vとしています。
実用コンパレータ回路
ここでヒステリシスは、出力電圧が5Vのときに、数10mV程度になるように10kΩと1MΩで1/100としています。結果として、出力が1→0になるときは約40m、V0→1になるときは約10mVのヒステリシスとなります。
ヒステリシスの大きさを変えたいとき
ヒステリシスの大きさを変えたいときは、1MΩと10kΩの比を変えればよいということになります。10kΩを大きくすればヒステリシスが大きくなり、小さくすれば小さくなります。出力の3kΩの抵抗はプルアップ抵抗で、この抵抗を接続先の電源に接続すれば、レベル変換もしたことになります。
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