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콤퍼레이터
콤퍼레이터(comparator)는 전자공학에서 비교기 및 비교 측정기, 비교 회로를 말한다. 2개의 전압이나 전류를 비교하고 더 큰 쪽을 가리키는 디지털 신호를 출력하는 장치이다. 두 개의 아날로그 입력 단말 V₊와 V₋, 그리고 하나의 이진 디지털 출력 V₀을 갖추고 있다. 출력은 이상적으로는 다음과 같다:
비교기는 특수한 높은 게인(gain)의 차동 증폭기로 구성되어 있다. 이것들은 아날로그-디지털 변환기(ADC), 완화 발진기 등 디지털 아날로그 신호를 측정하는 장치에 사용된다.
개요[편집]
콤퍼레이터는 보통 전압 비교기(Voltage Comparator)를 말하게 되는데, 아날로그 입력 전압 레벨을 기준전압 레벨과 비교해서 결과를 출력하는 회로로, 출력은 디지털 신호를 내보내므로 아날로그 회로와 디지털 회로의 인터페이스 회로 또는 비교 검출기로 많이 사용된다. 또한 입력 레벨을 비교한다고 해서 레벨 콤퍼레이터(Level Comparator) 라고도 한다.
콤퍼레이터 구성은 연산증폭기(OP-Amp)와 같이 반전단자(-)와 비반전단자(+)의 입력과 1개의 출력으로 구성되어 있다. 대부분의 전압 비교기(voltage Compatator)의 회로 동작은, 한쪽 입력단자에는 기준전압을 입력하고, 다른 한쪽 입력 단자에는 비교되어야 할 전압을 입력하여 전압의 차를 내부 차동증폭기로 증폭하여, 디지털 신호인 High 또는 Low 레벨 신호를 출력하게 된다.
이와 같은 동작은, 앞서 살펴본 개방루프 연산증폭기의 아주 작은 입력전압에 대해서도 출력이 급격하게 포화되는 특성을 이용한 것이다. 전압 비교기(voltage Compatator)는 검출회로로 많이 사용되어지고 있는데, 대표적인 것이 영전위 검출기와 기준전압에 의한 전위 검출기가 있다.
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연산증폭기 즉, OP-Amp 역시 콤퍼레이터로 사용할 수 있지만, OP-Amp는 위상보상을 위한 위상보상 회로가 필요하고, 이러한 위상보상 회로에 의해 출력이 지연되거나, 출력레벨이 원하는 레벨과 다르게 출력될 수도 있다. 또한 이러한 문제를 해결하기 위해 위상보상 회로를 제거 시 발진이 일어날 수 있다. 전압 비교기(voltage Compatator)와 같은 비선형 회로에는 비교기 외에도 슈미트 회로, 절대치 회로, 삼각파 회로, 피크홀드 회로, 샘플 홀드 회로 등 많은 회로가 있다.[1]
종류[편집]
① 디지털 비교기, 크기 비교기 (Magnitude Comparator)
- 두 수의 크기 비교에 따라, 3 상태 값 중 하나(큰가:A > B,작은가:A < B,같은가:A = B)를 출력하는 조합논리 회로
- 회로 기호 :
② 아날로그 비교기, 전압 비교기 (Voltage Compatrator)
- 2개 전압의 크기를 비교하여, 준비된 2 상태 값(High, Low) 중 하나 만을 출력하는 회로
- 2개 입력 전압이 크거나 작을 때, 두 상태값 중 하나가 출력되는 회로
- 통상, 하나의 기준 전압(VR)에 다른 전압을 비교함
- 회로 기호 :
- 2개 입력을 비교하면서 (즉, 크거나 작거나를 판단함),
- 판단 결과에 따른 출력 값은, 2 상태(High, Low) 중 하나를 출력 함
- 이때문에, 아날로그와 디지털 회로 간의 인터페이스에 많이 쓰임 (ADC 등)[2]
콤퍼레이터의 불확실성[편집]
콤퍼레이터(Comparator)는 매우 단순해 보인다. 두 개의 신호 전압을 비교해 출력을 높게 혹은 낮게 설정한다. 그러나 두 개의 신호 전압 값이 아주 가까운 경우, 입력 신호에 약간의 잡음이 존재해도 고레벨 또는 저레벨 출력 사이에서 진동을 한다. 이를 해결하려면 히스테리시스(Hysteresis)를 추가하는 것이 가장 좋다.
히스테리시스는 시스템 출력이 이전 상태에 의해 달라지는 경우다. 콤퍼레이터에 히스테리시스가 추가되면 상위 스위칭 임계점이 높게 설정되며, 하위 스위칭 임계점은 낮게 설정된다. 이것은 기본적으로 AC 온도 조절 장치의 작동 원리와 같다. 온도 조절 장치에 히스테리시스가 존재하지 않는 경우를 생각해보자. AC는 작은 온도 변화에서 몇 초마다 켜고 끄는 것을 반복하는데, 이는 시끄럽고 비효율적이며 AC 소자에 스트레스를 발생시킨다. 히스테리시스를 AC 온도 조절 장치에 추가하면 시스템이 보다 효과적으로 작동될 수 있다.
일부 콤퍼레이터에는 히스테리시스가 내장돼 있는데, 이는 일반적으로 역간의 밀리볼트 수준이다. 이는 특정 용도에는 적합할 수 있으나 다른 상황에서는 외부 히스테리시스를 추가해야 할 수 있다. 외부 히스테리시스를 추가하면 시스템 사양에 따라 임계점이 상승 또는 하강할 수 있다. 히스테리시스는 정궤환(Positive Feedback)을 통해 콤퍼레이터 내에서 회로를 구성한다. 이는 정궤환의 몇 안 되는 장점 중 하나다. 히스테리시스는 하나의 임계점을 갖는 대신 상승과 하강 값을 생성한다. 이를 통해 입력 신호가 기준 전압(Reference Voltage) 근처에 머무는 경우에도 진동 현상이 발생되지 않으며, 출력이 항상 낮거나 높은 상태로 유지된다. 정궤환을 통해 히스테리시스가 추가된 콤퍼레이터는 슈미트 트리거(Schmitt Trigger)라고도 한다.
사례 1은 인버팅 슈미트 트리거(Inverting Schmitt Trigger)로 구성된 온세미컨덕터의 ‘TL331’이다. TL331은 내장 히스테리시스가 없는 단일 채널의 저전력 개방형 컬렉터 콤퍼레이터다. R1과 R2 저항에 의해 생성되는 저항 분배기가 비 반전 핀에 기준 전압을 설정해 콤퍼레이터 출력이 전환되는 전압 임계점을 설정한다. 이는 개방형 컬렉터 콤퍼레이터이므로 상승 저항기(Pull-Up Resistor)가 출력에 연결된다. 피드백 저항이 정궤환을 통해 히스테리시스를 추가하는데, 이때 적어도 100kΩ 수준의 비교적 큰 피드백 저항 값이 일반적으로 적용된다.
인버팅 구성에 있어서 임계점을 기준으로 입력 신호가 낮은 경우, 출력 핀은 피드백 저항을 통해 전압 임계점을 상승시킨다. 이런 방법을 통해 입력 신호의 미세한 전압 변동이 발생해도 더 상승되고 조정된 상승 임계점에 도달할 때까지 콤퍼레이터 출력은 전환되지 않는다. 입력 신호가 상승 임계점에 도달하면 출력은 낮아진다. 이렇게 하면 피드백 저항을 통해 전압 임계점이 낮아져 입력 전압이 조정된 전압 임계점 이하로 낮아질 때까지 출력이 낮게 유지된다.
비 인버팅(Non-Inverting) 구성은 정궤환(Positive Feedback) 활용과 비슷한 방식으로 작동한다. 그러나 이 경우 인버팅 구성처럼 저항 분배기(Resistor Divider)에 의해 설정된 전압 임계점이 변화하지 않는다. 그대신 피드백이 비 인버팅 노드에서 입력 신호를 조정한다. 이 구성에 있어 입력 신호가 낮은 경우, 출력이 낮아지면 비 인버팅 노드의 전압도 낮아지게 된다. 입력 신호가 비 인버팅 노드를 기준 전압(Reference Voltage)보다 높게 상승시키면 출력이 상승되어 비 인버팅 노드가 더 높게 상승된다.
두 회로에서 보듯이 히스테리시스를 추가하는 데에는 하나 또는 두 개의 외부 저항만이 필요하게 된다. 이 때 저항 값은 특정 애플리케이션에 적합한 임계점으로 조정할 수 있다. 콤퍼레이터 설계를 할 때 입력 핀의 전압이 상당한 시간 동안 서로 닿는 경우 히스테리시스를 추가하면 입력 신호의 잡음으로 인한 문제를 쉽게 해소할 수 있다.[3]
각주[편집]
- ↑ 덤보, 〈비선형 콤퍼레이터(Comparator : 비교기)에 대해 알아봅시다.〉, 《다음 카페》, 2018-02-05
- ↑ 〈비교기〉, 《케이티월드》, 2021-05-24
- ↑ 정환용 기자, 〈콤퍼레이터(Comparator)의 불확실성〉, 《테크월드뉴스》, 2017-08-24
참고자료[편집]
- 〈비교기〉, 《위키백과》
- 〈비교기〉, 《케이티월드》, 2021-05-2
- 정환용 기자, 〈콤퍼레이터(Comparator)의 불확실성〉, 《테크월드뉴스》, 2017-08-24
같이 보기[편집]
