比較器：低い、同じ、高い
電圧が判断を下す
コンパレーター（比較器）は二つの電圧を比べ、高い出力か低い出力を選びます。基準電圧は比較の目標、しきい値は判断が変わる入力値です。
実験台
回路の設定を変え、測定値を予想してから課題を確認しましょう。教材用のモデルで、各レッスンに仮定を説明しています。
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動作の仕組み
非反転の理想比較で、出力は0 Vと5 Vです。同じ入力では意図的に低い出力にします。オフセット、雑音、応答の遅れ、出力負荷は省略し、特定のチップを再現しません。
Vinは入力電圧、Vrefは基準、Voutは出力です。+入力にVin、−入力にVrefを与えます。記号は比較の向きを表し、電荷ではありません。Vin > VrefならVout = 5 V、それ以外はVout = 0 Vです。差ΔV = Vin − Vrefは状態を選びますが、出力電圧そのものではありません。
難易度
組み立て · 組み立てる
入力2 V、基準2.5 Vで電源を入れます。低い出力0 Vを読み取ります。
ヒントを見る
Vin = 2 V; Vref = 2.5 V → Vout = 0 V
探究 · 境界を調べる
基準2.5 Vを保ち、入力をちょうど2.5 Vにします。モデルの同値ルール、出力0 Vを発見します。
ヒントを見る
Vin = Vref = 2.5 V → Vout = 0 V
自力で解く · 課題を解く
基準2.5 Vを保ち、入力を3 Vにします。出力を高い5 Vにします。
ヒントを見る
Vin = 3 V; Vref = 2.5 V → Vout = 5 V
追加の読み物と回路レシピ
電圧が判断を下す
水位とともに電圧が上がるタンクのセンサーを想像しましょう。比較器は「どのくらい？」を「選んだ上限を超えた？」に変えます。基準を動かせばセンサーを替えず上限を選べます。タンクはたとえで、この実験は電圧だけを比較します。
ΔV = Vin − Vref; Vin > Vref → Vout = 5 V; Vin ≤ Vref → Vout = 0 V
一定の5 V電源が出力のエネルギーを供給します。入力は状態を選ぶだけなので、小さな差でも大きな出力変化を選べます。
役立つ法則
基準2.5 Vでは入力2.6 Vも4 Vも同じ5 Vの出力になります。比較器は境界のどちら側かを知らせ、距離は知らせません。
モデルの外では
実際の入力がしきい値付近で揺れると、出力が何度も切り替わる場合があります。同値付近では雑音や小さなオフセットが重要です。次のレッスンでは判断に記憶を加えます。
避けたい落とし穴
同じ入力ではモデルの決まりで0 Vにします。実物の比較器に保証された動作でも「電源の半分」でもありません。
入力3 Vのまま、基準を2.5 Vから3.5 Vへ変えます。出力は…
- 5 Vのまま
- 0 Vになる
- 3 Vになる
詳しく読む
入力が基準より高い状態から低い状態へ変わり、比較の判断が変わります。
組み立てる
入力2 V、基準2.5 Vにして電源を入れます。負の差が0 Vを選びます。
Vout = 0 V
境界を調べる
入力3 V、基準2.5 Vにして電源を入れます。正の差0.5 Vが出力いっぱいの5 Vを選びます。
Vout = 5 V
一つ変える
入力を3 Vに保ちます。基準だけを2 Vから3 Vを経て4 Vまで動かします。境界を見つけて戻しましょう。この比較器に記憶はありません。