コンパレータとは？　ざっくりと解説-電気系ものづくりブログ

「コンパレータ」という素子があります。日本語だと「比較器」です。今回は、このコンパレータについて、ざっくりと解説していきます。

コンパレータとは？

コンパレータは、入力の(+)端子と(-)端子の電圧を比較して、(+)端子の方が大きいときは出力が"H"、(-)端子の方が大きいときは出力が"L"となるような動作をする素子です。

出力は"High"と"Low"の2つの値になります。出力の"H"の電圧は、コンパレータの電源電圧、"L"の電圧はGNDです（後述するプッシュプルタイプでは）。

コンパレータの回路図記号は

こんな感じで、オペアンプと同じです。

回路図記号が同じって紛らわしいですよね？。ですが、オペアンプとコンパレータは、基本的には同じ（ような）ものです。（そのため、回路図記号も同じなのかもしれません。）

何が違うのか？というと、「用途」が違います。オペアンプはアナログ信号を処理するために使用しますが、コンパレータはアナログ信号の大小を比較して、"H"と"L"の2値を出力します。

コンパレータは、オペアンプをコンパレータ用にチューニングしたものといったイメージです。

出力が"H"と"L"の境となる「基準電圧」を入力端子の一方に入力し、基準電圧と比較する「信号」を他方の入力端子に入力するのが、基本的な使い方です。

基準電圧を(-)端子に、(+)端子に信号を入力した場合は、

といった動作となります。入力信号が基準電圧より低ければ出力"L"、入力信号が基準電圧を上回れば出力が"H"となります。

逆に、基準電圧を(+)端子に、(-)端子に信号を入力した場合は、

といった動作となります。入力信号が基準電圧より低ければ出力"H"、入力信号が基準電圧を上回れば出力が"L"と、先ほどと論理が逆になります。

コンパレータは、「比較器」の名の通り、2つの入力を比較する素子ですが、1bitのA/Dコンバータという見方もできます。

（基準電圧を(-)端子としたとき）入力信号が基準電圧より大きければ"1"、小さければ"0"といった、大雑把なデジタル化をします。出力は"0"か"1"の2値なので、1bitです。

このように、コンパレータは「アナログの世界とデジタルの世界とをつなぐ役割」をはたします。

コンパレータの出力方式には、「プッシュプル」タイプと「オープンコレクタ」タイプの2種類があります。

プッシュプル出力タイプは、出力"H"のときには出力端子から電源電圧が出力され、出力"L"のときには0Vが出力されます。

オープンコレクタ出力のイメージはこんな感じです。

出力端子にトランジスタが接続されていて、出力"H"のときにはトランジスタがOFF、出力"L"のときにはトランジスタがONとなります。

オープンコレクタ出力タイプでは、プルアップ抵抗を外付けして使用します。そうすることで、出力"H"のときには電源からプルアップ抵抗を介して電圧が出力されます。

なぜわざわざこんなことをするのか？何がうれしいのか？というと、オープンコレクタ出力タイプには、プッシュプル出力タイプにはない利点があるからです。

オープンコレクタタイプのメリットのひとつ目は、出力の電圧レベルを自由に設定できることです。（もちろん限度はありますが）

出力端子は"スイッチ"として働くので、出力信号の電圧をコンパレータの電源電圧以外に設定できます。

上図のように、異なる電源電圧の回路をつなぐ役割も担えます。

ふたつ目のメリットは、「ワイヤードOR」ができることです。

出力を単純に並列接続するだけで、ORの論理（どちらかが"L"であれば出力"L"。両方"H"のときだけ出力"H"。）が組めます。出力端子が"スイッチ"として働くオープンコレクタならではの使い方です。プッシュプル出力タイプではNGです。

オープンコレクタ出力タイプには、デメリットもあります。分かりやすいデメリットは「プルアップ抵抗が必要」なことです。

他には、出力を"L"から"H"に変化するスピードが、プッシュプル出力タイプと比べて遅いことが、オープンコレクタ出力タイプのデメリットとして挙げられます。