コンパレータの高速化・オペアンプで作るアナログデジタル変換器

以前、こちらの記事でオペアンプによるコンパレータ作った。

Arduinoで周波数カウンタを作ろうと思ったのだ。コンパレータを使うことで、アナログ信号がHIGH/LOWのどちらかに変換されるため、デジタル入力のインタフェースとして使うことができる。つまり、コンパレータは一種のアナログデジタル変換器とも言える。

さて、実際に周波数カウンタを作ってみたところ、100kHz以上の高周波になるとコンパレータの速度が問われるようだ。

前回はオペアンプ022を使った。このオペアンプは低電圧で駆動できるメリットがあるが、あまり周波数特性がよくない。100kHz以上では矩形波の形を保てず、立ち上がりが遅くなり三角波のようになってしまった。

Fast Comparator Schematic
Fast Comparator Schematic

そこで、以前作ったコンパレータを高周波に対応できるように改善してみた。こちらがその回路図である。

といっても、前回のコンパレータと基本は同じでオペアンプを変えただけ。持っている石の中で性能がでるTL072を採用した。

Arduinoで作る周波数カウンタのインタフェースに使う予定なので、超低周波(0.1Hz)の入力も想定してカップリングコンデンサの値を大きくした。

また、Arduinoのデジタル入力へ接続できるようにするには、0Vか3.3V(または5V)の信号でなければならない。そこで、出力にはクランプ回路と呼ばれる回路を入れてある。このクランプ回路を入れることで、この場合だと基準電圧が0Vへ持ち上がり、上限3.3Vの幅で信号が振れるようになる。

Fast Comparator Module
Fast Comparator Module

さて、この回路を組んでモジュール化してみた。オペアンプを変えられるようにICソケットを取り付けてある。オシロスコープで波形を確認することで、オペアンプの性能測定にも使えそうなモジュールである。

オペアンプTL072のコンパレータ波形の観察
オペアンプTL072のコンパレータ波形の観察

よく使う手持ちのオペアンプ072・4558・5532・022を入れ替えて、コンパレータの立ち上がりの波形を観察してみた。写真は、オペアンプTL072を使ったコンパレータに約130kHzの正弦波を入力した時の波形だ。

他にも5532でもキレイな矩形波を確認できたが、4558や022では矩形波自体が出力されなかった(もしかしたら、カップリングコンデンサの値が大きすぎたのかも)。

ちなみに発振器はコルピッツ発振回路を使ったもの。詳しくはこちらを参考に。

各オペアンプのスルーレート(立ち上がり速度)は次の通りである。

オペアンプスルーレート(V/μs)
07213
45581
55328
0220.5

表を見ても分かる通り、072や5532が矩形波の再現に優れている。TL072はFET型の入力で、安く購入できるのでかなり使えるオペアンプである。

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