コンパレーターにヒステリシス（シュミットトリガー）を持たせる方法

コンパレーター^*は一般的に基準電圧に対して入力電圧が高いか低いかを判定するときに使用されます。ノイズが多い環境で立ち上がり/立ち下がりの早くない信号 (スロー入力) や、スレッシュホールド電圧 (基準しきい値電圧) 付近の信号を入力する場合、出力が “V_OH” “V_OL” を繰り返す望ましくない状態となることがあります。このようなときに、”L” ⇒ “H” に遷移するスレッシュホールド電圧V_IHと “H” ⇒ “L” に遷移するスレッシュホールド電圧V_ILの2値を持つヒステリシス特性 (図-1) を入力に持たせ、遷移の生じない不感帯 ΔV を設けることでこの望ましくない出力を改善することが可能となります。

このヒステリシス (シュミットトリガー) 特性をコンパレーターに持たせる回路はいくつかありますが、全てに共通することはコンパレーターの出力から入力に正帰還をかけることです。最も簡素な回路を図-2に示します。ただし、コンパレーターはプッシュプル出力で理想的な特性 (入力インピーダンスは無限大、出力インピーダンスはゼロ)を持ち 、基準電源V_refの出力インピーダンスはゼロとします。

まず、IN_(-)端子にVILより低い電圧が印加されているとします (①) 。この時出力電圧はV_OHとなります。この電圧はR₂を通ってIN₍₊₎端子に帰還されます。同時にIN₍₊₎端子はR₁を経由して電圧V_refも印加されています。コンパレーターの入力インピーダンスは無限大なのでIN₍₊₎端子の電圧V_IN(+)は下記となります。
V_IN(+) ＝ ( V_OH – V_ref ) x R₁ / ( R₁ + R₂ ) + V_ref ・・・(1)

理想状態ではコンパレーターの出力電圧は、V_OH = V_CC なので、Vrefよりも電圧が高くなっていることがわかります。従って、一旦 “H” になった状態から “L” 状態への遷移はしにくくなっていることがわかります。この電圧をV_IHとします。
次に、V_IHよりも高い電圧がIN_(-)端子に加えられたとします。V_OUTは ”L” 状態 (V_OL) へ遷移します (②)。

同様にIN₍₊₎端子の電圧V_IN(+)を計算すると
V_IN(+) = ( V_OL – V_ref ) x  R₁ / ( R₁ + R₂ ) + V_ref ・・・(2)

V_OLはV_refよりも低い電圧なので、(2)式の右辺の第一項はマイナスとなり、V_refよりも低い電圧になります。
このため、一旦 “L” 状態になると、“H”への遷移はより低い電圧を印加しなければならないことがわかります。
このように、正帰還をかけることで簡単にヒステリシス特性を得ることが可能となります。

(1)式と(2)式からヒステリシス幅ΔVはリファレンス電圧V_refを中心に幅 ( V_OH – V_OL ) x R₁ / ( R₁ + R₂ ) となります。