MCUにアナログコンパレータは必要ですか？

投稿日六月 22, 2021
更新日七月 1, 2024

この産業用コンピューターは、統合アナログコンパレータを備えたMCUから恩恵を受けることができます。

私が大学の電子工学のクラスでLM358オペアンプを使用して最初のオペアンプアナログコンパレータを構築したときのことを覚えています。このような単純な回路は、顧客のために実際のシステムに設計するまで、実用的な用途を持っているとは常に思えません。アナログコンパレータは、オペアンプ回路に正のフィードバックを用いて簡単に構築できますが、オペアンプICとフィードバックループ内の追加コンポーネントでボード上のいくらかのスペースを常に取ります。

アナログコンパレータとMCUを使用する場合はどうでしょうか？MCUは多くの統合機能とI/Oを提供し、MCUでコンパレータ出力を受け入れる1つのオプションは、GPIOの1つを使用することです。より良いオプションは、統合コンパレータ回路を備えたMCUを見つけることで、これにより外部のオペアンプ回路やコンパレータICの必要性がなくなります。これらの回路があなたの設計でどのように機能し、この機能を含む人気のあるMCUについてここで説明します。

アナログコンパレータとは何ですか？

アナログコンパレータは基本的に1ビットのアナログ-デジタルコンバータです。コンパレータに入力される電圧がある閾値を超えると、デバイスはその低電圧値と高電圧値の間で状態を切り替えます。アナログコンパレータは、反転または非反転デバイスであることができます。非反転デバイスでは、入力信号の立ち上がりエッジがコンパレータ出力をその低電圧出力状態から高電圧出力状態に切り替えることを引き起こし、逆もまた同様です。反転コンパレータの場合、動作は逆になります。

オペアンプアナログコンパレータ回路では、通常、入力電圧が外部基準電圧を超えて切り替わると出力が飽和するように、正のフィードバックが使用されます。言い換えると、オペアンプは入力信号の立ち上がりまたは下がりエッジでレールからレールへと振れます。これは、2つの電圧レベルで飽和する2状態出力を作成する簡単な方法であり、低レベルのノイズに対するある程度の免疫も提供します。

ヒステリシスありとなしのアナログコンパレータ出力電圧。

低レベルのノイズ免疫を提供するために、アナログコンパレータ回路にはヒステリシスがあることがあり、ノイズマージンはヒステリシスウィンドウのサイズに依存します。上記に示されているように、入力三角波によるスイッチングに対するヒステリシスの効果。入力信号にいくらかの変動またはノイズがあった場合、ヒステリシスウィンドウ内の任意の変動はスイッチングを引き起こさないでしょう。複数ビットの解像度を持つADCでは、これは当てはまりません。量子化レベル間のより小さい電圧差が

オペアンプ回路では、ヒステリシスウィンドウのサイズは、フィードバックループ内の全抵抗と、基準電圧と非反転入力の間の抵抗の比率によって決定されます。これら2つの値を設定することで、コンパレータのヒステリシスウィンドウを特定のアプリケーションとノイズマージンに合わせて調整することができます。アナログコンパレータを統合したMCUが真価を発揮するのはここで、ヒステリシスウィンドウやしきい値電圧のサイズを設定するためにこれらの外部抵抗器を必要としないためです。

MCU内のアナログコンパレータの利点

MCUに直接統合されたアナログコンパレータは、MCUとアナログインターフェースのコンパレータを統合する他の方法に比べて、いくつかの利点を提供します。

簡素化された切り替え。 2つの電圧状態の違いを検出するだけであれば、外部のオペアンプ回路とADCチャネルを使用するよりも、統合されたアナログコンパレータの方が良い選択です。入力電圧が本当に飽和している時を推定するために、ファームウェアに数値的なしきい値と変換をプログラムする必要はありません。
プログラマブルなヒステリシス。 ヒステリシスウィンドウのサイズは、MCUのファームウェアでプログラムすることも、運用中に動的に設定することもできます。GPIO入力のノイズマージンよりもヒステリシスウィンドウを広く設定することで、切り替えイベントを検出するための非常に堅牢な回路を得ることができます。
外部ノイズへの免疫性の向上。 オペアンプの出力とMCU入力の間のフィードラインは、入力にノイズが注入される別のポイントを作り出し、それがMCUのADC/GPIOで不正確な読み取りを生じさせる可能性があります。アナログコンパレータをMCUに統合することで、システムにノイズが入るこの追加のポイントを排除しました。
比較可能な入力での部品数の削減。 統合アナログコンパレータを備えたMCUを使用することで、MCU内の入力を過剰に使用することなくBOMコストを削減できます。
プログラマブルな伝播遅延。 アナログコンパレータの伝播遅延は、入力信号が切り替えしきい値を超えた瞬間と出力状態が変化し始める瞬間との間の時間として定義されます。統合コンパレータを備えた一部のMCUでは、この量をプログラムできます。伝播遅延を増やすことで、MCUは切り替え中に消費電力を少なくすることができます。

統合アナログコンパレータを備えた人気のMCU

現在、市場にはトップメーカーから多くのMCUが出ています。ここでは、統合アナログコンパレータ機能を含む人気のMCUと、その他のインターフェースの範囲を紹介します：

NXP Semiconductors, S08PB

ON SemiconductorのS08PB MCUは、シンプルな組み込みコンピューティングアプリケーション用の小型8ビットデバイスです。この特定のデバイスには、周辺機器が少ない2つのアナログコンパレータが含まれており、多くの人気のある他のMCUよりも小さなパッケージで提供され、シンプルなアナログシステムのために不要な周辺機器を省略しています。アナログシステムに役立つ機能には、統合オペアンプ、高精度RTCカウンタ、2つのフレックスタイマーモジュレータ、および12チャンネルADC（12ビット解像度）が含まれます。

NXPセミコンダクターズのMC9S08PB8MTG MCUのブロック図。 MC9S08PB8MTGデータシートより。

STMicroelectronics、STM32シリーズ

STMicroelectronicsのSTM32シリーズは、中程度の処理能力と高いバス幅が求められる組み込み製品で使用される最も人気のあるMCUラインの一つです。これらのデバイスは、32ビットバス幅で最大72 MHz（Arm Cortex-M4コア）まで動作します。また、高解像度ADC（12ビット）や多様なデジタルインターフェース（CAN、I2C、I2S、IrDA、LIN、SPI、UART、USART、USB）を備え、高いI/Oカウントを特徴としています。

テキサス・インスツルメンツ、MSP430

テキサス・インスツルメンツのMSP430ファミリーは、様々なパッケージで提供される16ビットMCUの範囲で、アナログコンパレータを含んでいます。これらのMCUは最大25 MHzで動作し、統合SRAM/FRAM、フラッシュメモリ、ADC、SPI/UARTなどのインターフェースや機能を含んでいます。

テキサス・インスツルメンツのMSP430FR5727 MCUの機能ブロック図。 MSP430FR5727データシートより。

混合信号設計をサポートするその他のコンポーネント

MCUは混合信号設計の出発点であるべきです。なぜなら、システム内のすべてのデジタルおよびアナログコンポーネントとインターフェースする必要があるからです。システムに必要なその他のコンポーネントには以下が含まれます：

アナログコンパレータを統合したMCUや他のプロセッサを選択する必要がある場合、Octopartの高度な検索およびフィルタリング機能で必要な部品をすべて見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、ディストリビュータのデータと部品仕様の完全なセットにアクセスでき、それらはすべてユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用可能です。組み込みプロセッサおよびコントローラページをご覧ください、必要なコンポーネントを見つけてください。

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