オペアンプをコンパレータとして活用する方法

コンパレータは、例えば、過電圧状態では論理レベルのHigh(5V)、通常動作ではLow(0V)を出力するといったように、システムの2つの状態を比較するのによく使われます。専用のコンパレータもありますが、オペアンプをコンパレータとして機能するよう構成することも可能です。

オペアンプの場合、専用のコンパレータと比べて低コストで、必要なプリント基板(PCB)面積が最小限で済むなど、いくつかの利点があります。ただし、オペアンプをコンパレータとして構成するには、オペアンプのいくつかの仕様や特性を事前に検討しなければなりません。この記事では、このような考慮事項について説明し、設計手順を紹介していきます。

設計上の考慮事項

オペアンプをコンパレータとして構成する場合には、差動入力クランプ・ダイオード(背面結合ダイオード)の有無、入力同相モード電圧、スルー・レート、さらに過負荷回復時間について考慮する必要があります。図1は、オペアンプを使用したときの標準的なコンパレータ構成です。

• 図1:オペアンプを使用した標準的なコンパレータ構成

差動入力クランプ・ダイオード

差動入力クランプ・ダイオードは、背面結合入力ダイオードとも呼ばれますが、大きな差動入力電圧から入力段のトランジスタを保護します。図2に示すのは、内蔵の差動入力クランプ・ダイオードです。

• 図2:入力クランプ・ダイオード

オペアンプをコンパレータとして使用するときは、差動入力クランプ・ダイオードが存在してはなりません。差動入力クランプ・ダイオードの付いたオペアンプにダイオードの電圧降下を超える差動信号が加えられると、非反転入力と反転入力の間でいずれかのダイオードが導通し、2つの入力が短絡します。この状態では、導通したダイオードに過大な電流が流れるので、デバイスが損傷を受ける可能性があります。図3にこの影響を示します。入力ダイオードが導通すると、電流がリファレンス・ソース(V_Ref)から入力電圧(V_in)へと流れます。

• 図3:差動入力が大きすぎるとクランプ・ダイオードに電流が流れる

入力同相モード電圧

同相モード電圧の範囲により、オペアンプの入力段のリニア動作領域が規定されます。オペアンプの入力の電圧はこの範囲内におさまる必要があります。電圧がこの範囲を外れると、位相反転などの望ましくない結果が生じます。

伝搬遅延

オペアンプをコンパレータとして構成しているとき、伝搬遅延とは、入力の遷移後に出力電圧がLowからHighまたはHighからLowに遷移するのにかかる合計時間のことです。合計遷移時間は、オペアンプの過負荷回復時間とスルー・レートに依存します。オペアンプの合計出力遷移時間は以下の式で求められます。

t_TOTAL = t_OL + t_S

ここで、t_OLは過負荷回復時間、t_Sはスルーにかかる時間です。

出力がその最終値に安定するまで、入力電圧が変化しないようにする必要があります。図4は、コンパレータとして構成したオペアンプの標準的な出力電圧波形です。入力電圧が変化する前に出力電圧が遷移し終えていることに注目してください。

• 図4:伝搬遅延

過負荷回復時間

過負荷回復時間とは、入力電圧の変化後、出力電圧が飽和状態から変化し始めるまでにかかる時間のことです。高周波入力信号に対してオペアンプの過負荷回復時間が長すぎると、信号タイミングに影響が及びます。なぜなら、出力が最終的なHighまたはLowの振幅レベルに到達しないうちに、入力電圧が再び変化する可能性があるからです。

図5に、オペアンプをコンパレータとして構成したときに、過負荷回復時間が信号タイミングにどう影響するかを示します。この例では、t_OLが原因となり、t_TOTALが許容遷移時間をオーバーしています。緑の点線は、入力信号周波数に対して過負荷回復時間が十分に速いときの正しいタイミングを表しています。実線の出力波形は、デバイスの過負荷回復時間が長すぎる場合を表しています。出力が最終的な振幅に達する前に入力信号が変化していることに注目してください。これにより、図5のΔVで示すタイミング・エラーが生じる可能性があります。

• 図5:過負荷回復時間がタイミングに与える影響

スルー・レート

スルー・レートとは、オペアンプの出力電圧の最大変化率のことであり、これは図4の出力波形の立ち上がりと立ち下がりの時間に影響します。コンパレータとして使用する場合、一般に入力電圧がスレッショルド電圧をまたぐと、出力はHighからLowまたはLowからHighに変化する必要があります。スルー・レートが仕様として重要なのは、これにより出力電圧が変化する速さが制限されるためです。スルー・レートが低いと、出力が最終的な振幅に達するまでの時間が長くなるため、出力電圧の状態がHighまたはLowに達する前に入力信号が変化し、タイミング・エラーにつながる場合があります。

図6に、オペアンプをコンパレータとして構成したときに、スルー・レートが信号タイミングに及ぼす影響を示します。この例では、t_Sが原因となり、t_TOTALが許容遷移時間をオーバーしています。緑の点線は、スルー・レートが十分に速く、入力信号が変化する前に出力の状態がHighまたはLowに達することができる正しいタイミングを表しています。実線の出力波形は、デバイスのスルー・レートが遅すぎる場合を表しています。出力が最終的な振幅に達する前に入力信号が変化していることに注目してください。これにより、図6のΔVで示すタイミング・エラーが生じる可能性があります。

• 図6:スルー・レートがタイミングに与える影響

伝搬遅延には過負荷回復時間とスルー・レートの影響が含まれ、これらはそれぞれ、入力に加えられる差動信号振幅に影響されます。差動入力電圧またはオーバードライブ電圧を上げると、伝播遅延時間が短くなります。図7は、入力オーバードライブ電圧が異なるとTexas Instruments(TI)の「TLV9062」の伝搬遅延にどう影響するかを示したものです。入力オーバードライブ電圧が大きいほど、伝搬遅延が短くなることに注目してください。オーバードライブ電圧が100mV未満であると、過負荷回復時間が増加しスルー・レートが減少するため、伝搬遅延が長くなります。

• 図7:入力オーバードライブ電圧と立ち下がりエッジの伝搬遅延との関係