非反転型・半波整流回路の動作原理
［特徴］入力電圧Ｖｉｎの符号によって出力が切り替わるスイッチとも考えられます。すなわち、Ｖｉｎ＞０のときＯＮになり、電圧を出力する。また、Ｖｉｎ＜０のときは、ＯＦＦになり出力０。図１のＤ（ダイオード）を逆向きに接続すれば、逆極性の整流回路になります。このとき、Ｖｉｎ＞０のときＯＦＦで、Ｖｉｎ＜０のときＯＮになり、電圧を出力します。
非反転型・半波整流回路の動作原理について説明します。図１に示すように、以下ＯＰアンプの電源は、正電源（ＶＣＣ）と負電源（ＶＥＥ）と表記します。整流回路の入力端子は
Ｖｉｎ 、そして出力端子は Ｖｏｕｔと表記することにします。ＯＰアンプ（ＯＰ）の反転入力端子を−、非反転入力端子を＋と表記します。ＯＰアンプの出力端子についての表記は、特に一般には決められていませんが、ここではＶｏｐと表記することとします。
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| 図１． 非反転型・半波整流回路の動作原理説明図 |
（１）電圧振幅が正（Ｖｉｎ＞０）のとき［図１（ａ）の正弦波が正の振幅のとき］
ＯＰアンプの入力は、このとき仮想ショート（imaginary short）が成り立ちます。仮想ショートとは、非反転入力端子と反転入力端子の電位が等しくなる状態で、ＯＰアンプの基本動作原理です。余談ですがショートといっても、非反転入力端子と反転入力端子を、実際に配線してショート接続しては回路が動作しません(^^;)。（ＯＰアンプの基本動作原理に関しては、別途掲載します。お楽しみに。）
ここで、回路図を見ると反転入力端子は Ｖoutに接続されていますので、Ｖｉｎ＝Ｖｏｕｔ という関係が成り立ちます。このとき、抵抗Ｒには
Ｖｏｕｔ／Ｒ 相当の電流が、ＯＰアンプの出力端子から、ダイオードＤを通って抵抗Ｒに流れ込んでいます。すなわち、ダイオードＤは、順方向にバイアスされており、その電圧降下がＶＦになっています。したがいまして、ＯＰアンプの出力電圧は、ＶｏｕｔよりＶＦだけ高めに出力されています。すなわち、入力電圧ＶｉｎよりＶＦだけ高めに出ているということです。この様子を示したのが、図１（ｂ）の正の振幅のときです。比較のため、入力相当の波形が（ｂ）中に薄く書かれています。
（２）電圧振幅が負（Ｖｉｎ＜０）のとき［図１（ａ）の正弦波が負の振幅のとき］
負の入力電圧が、非反転入力端子に加えられると、ＯＰアンプ出力は負方向に推移します。このとき、ダイオードＤは、逆方向にバイアスされるため、ダイオードには電流が流れません。したがって、Ｖｏｕｔ出力はゼロのままとなっています［図１（ｃ）］。このとき、Ｖｉｎ≠Ｖｏｕｔ
の関係となりますので、非反転入力端子と反転入力端子の電位が等しくありません。ＯＰアンプの入力は、ＯＰアンプの基本動作原理である仮想ショートが成立しません。そうするとＯＰアンプは正常に動作することができず、ＯＰアンプ出力は負方向にどんどん推移して、負電源ＶＥＥ付近まで下がってしまいます。この様子を示したのが、図１（ｂ）の負の振幅のときです。
非反転型・半波整流回路の製作上のノウハウ
動作原理を理解したところで、製作上のノウハウを書いておきます。
（１）電源電圧 ＶＣＣ，ＶＥＥについて
ＯＰアンプを使用する場合には、一般的に正電源ＶＣＣと負電源ＶＥＥを使います。特に決まっている訳ではないのですが、±１５Ｖというのが多いようです。（正電圧だけを扱う回路では、ＶＣＣだけの単電源動作のＯＰアンプを使うこともあります。）
入力電圧範囲が例えば、±５ＶであればＶＣＣ，ＶＥＥともに、通常正負ともに３〜４Ｖ余裕を見て±９Ｖ以上（正確にはＯＰアンプの出力飽和電圧以上）というようにします。特殊なＯＰアンプとして、レール・トゥ・レール（Rail-to-Rail）といって電源電圧までの振幅を扱えるＯＰアンプもあります。電源レギュレータＩＣの電圧には決まったものがありますので、通常は入手可能な電源レギュレータＩＣとして、±９Ｖ、±１２Ｖ、±１５Ｖという電圧に設定します。
さて、ここで述べたことは一般論でして、非反転の半波整流回路では、負側の方の入力電圧範囲を、少し狭めた方がいいかも知れません。理由は、図１（ｂ）の正弦波が負の振幅のときに、ＯＰアンプの出力電圧が、Ｖｏｐ≒ＶＥＥとなるためです。このとき、ダイオードＤには、逆方向にＶＥＥだけバイアスされることになり、もしダイオードの逆方向耐圧がＶＥＥよりも低かったら、ダイオードが壊れてしまいます。また、たとえ耐圧が高いダイオードを使用したとしても、負の半サイクル（Ｖｉｎ＜０）で、ＯＰアンプの出力が負電源いっぱい（正確にはＯＰアンプの出力飽和電圧）まで振れると、入力信号が０を横切るときに応答が遅くなる欠点があります。ＶＣＣとＶＥＥは同じ大きさでなければならないということはありませんので、入力電圧範囲が±５Ｖでしたら、ＶＣＣ＝＋１２Ｖ、ＶＥＥ＝−９Ｖだっていいのです。ただし、入力電圧範囲よりも、ＶＥＥを狭めることはＯＰアンプにとってよくありませんので、かならずＶｉｎ＜ＶＥＥの関係は守って下さい。
非反転型・半波整流回路の実験準備
それでは、実際に非反転型・半波整流回路をブレッドボードを使って実験してみましょう。使用した部品ですが、まずＯＰアンプは、ＬＦ４１２（National
Semiconductor社製），ＬＭ６３６１（National
Semiconductor社製）を比較のため使いました。
ＬＦ４１２は、１パッケージに２回路分のＯＰアンプが入っています。１回路のＬＦ４１１と性能は同じです。秋月電子通商で、ＬＦ４１２が￥１５０、ＬＦ４１１が￥１２０です。ＬＭ６３６１は￥４００です。
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図２．ＬＦ４１２ＣＮ 特徴：ＬＦ４１１のデュアルタイプ，高速，ＪＦＥＴ入力 スルーレート：１５Ｖ／μｓ， ＧＢＷ：４ＭＨｚ， 入力バイアス電流：５０ｐＡ |
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図３．ＬＭ６３６１Ｎ 特徴：高速，広帯域 スルーレート：３００Ｖ／μｓ， ＧＢＷ：５０ＭＨｚ， Ａｖ＝１で安定 |
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| 図４．ＬＦ４１２ＣＮのピン配置図 | 図５．ＬＭ６３６１Ｎのピン配置図 |
図４，５にＯＰアンプのピン配置図を示します。ＬＦ４１２はデュアルタイプですので、片方のＯＰアンプを使います。使わないＯＰアンプの端子は、開放しているよりも、ボルテージフォロアを構成しておくと良いでしょう。つまり、ＯＵＴと−ＩＮを接続、＋ＩＮ端子はＧＮＤにつなげておきます。ＬＭ６３６１のＯＦＦＳＥＴ ＮＵＬＬ端子は開放のままで構いません。
ダイオードですが、検波用で逆耐圧がＶＥＥ以上のものを使えば良いでしょう。ショットキ・バリア型ダイオードは、逆耐圧が低いものが多いので注意して下さい。もしなければ、１Ｓ１５８８という汎用品のダイオードでも、そこそこ使えるでしょう。ＶＦが大きいため、ダイオード単体では使えませんが、ＯＰアンプと組み合わせれば、ＶＦはキャンセルできます。
電源電圧は、±１２Ｖを使用しました。
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| 図６．ブレッドボード上に組み立てた 非反転型・半波整流回路例 |
左側から入力／右側から出力。外部との信号配線はプローブで接続。重要なことは、部品のリード線は適当な長さに切ることです。ブレッドボードだからといって、モヤシ配線はダメです。
モヤシ配線って？、それはパーツをボード（基板）に取り付けるときに、本来ならばピッタリ取り付けなければならないところを、リードを長めに取り付けてしまうことです。ちょっと見ると、まるでモヤシのようにリードを長くした部品がならんでいるように見えるため、このように言われています。扱う周波数が高くなるほど、配線のちょっとした余分な長さが、回路の動作を狂わせてしまいます。ブレッドボードでは扱う周波数が低周波や直流のため、特性的にはそれほど問題にはなりませんが、リードが長いとショートなどのトラブルを引き起こすことがありますので、やはりモヤシ配線は御法度です。
非反転型・半波整流回路の実験データ
図１の回路で、ＯＰアンプはＬＦ４１２、またはＬＭ６３６１を使用。
ダイオードは汎用品の１Ｓ１５８８。電源電圧は±１２Ｖ。
（１）ＬＦ４１２使用，入力周波数２０ｋＨｚ正弦波
図７（ａ）（ｂ）に、そのときの波形データを示します。入力電圧が負に変化するとき、よく見ると、半波出力波形に歪みが出ているものの、半波整流動作をしていることが分かります。図７（ｂ）に示すように、ＯＰアンプの出力波形を見ると、入力が負のときは、負電源ＶＥＥ＝−１２Ｖ付近まで下がっていることが分かります。
図７（ａ）．ＬＦ４１２使用、入力周波数２０ｋＨｚ
入力／出力波形
上段：入力波形（２０ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
下段：出力波形（半波整流出力）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
図７（ｂ）．ＬＦ４１２使用、入力周波数２０ｋＨｚ
入力／ＯＰアンプ出力波形
上段：入力波形（２０ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
下段：ＯＰアンプ出力波形
（縦軸：５Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
（２）ＬＦ４１２使用，入力周波数１００ｋＨｚ正弦波
さて、もう少し周波数を上げていくとどうなるでしょうか？図８に入力周波数が１００ｋＨｚのときのデータを示します。入力電圧が正負に変化するとき、半波出力波形の歪みが大きくなりました。こうなると半波整流動作の限界でしょうか。
図８．ＬＦ４１２使用、入力周波数１００ｋＨｚ
入力／出力波形
上段：入力波形（１００ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：５μｓ／ｄｉｖ）
下段：出力波形（半波整流出力）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：５μｓ／ｄｉｖ）
それでは、さらに周波数を上げて、スペアナの検波周波数の４５５ｋＨｚではどうでしょうか？図９にそのときのデータを示します。ゲッ！、もはや半波整流とは言えないデータになってしまいました。原因はよく分かりませんが、正側で入力電圧が２Ｖなのに、出力電圧は３．５Ｖ程度まで出てしまっています。正常動作とは言えません！
図９．ＬＦ４１２使用、入力周波数４５５ｋＨｚ
入力／出力波形
上段：入力波形（４５５ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
下段：出力波形（半波整流出力？）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
（４）ＬＭ６３６１使用，入力周波数４５５ｋＨｚ正弦波
ＬＦ４１２より、高速なＯＰアンプとしてＬＭ６３６１を使ってみました。図１０（ａ）に半波整流出力波形を示します。先ほどの図９と比べたら、半波整流波形らしいのですが、やはり歪みが出ています。ＯＰアンプ出力波形を図１０（ｂ）に示しますが、どうも入力電圧が正負に変化する段階で、ＯＰアンプが追従していない気がします。ＬＭ６３６１といえば、スルーレート：３００Ｖ／μｓですから、十分すぎるほど速い石なのですが、それが追従できていないのです。
図10（ａ）．ＬＭ６３６１使用、入力周波数４５５ｋＨｚ
入力／出力波形
上段：入力波形（４５５ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
下段：出力波形（半波整流出力）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
図10（ｂ）．ＬＭ６３６１使用、入力周波数４５５ｋＨｚ
入力／ＯＰアンプ出力波形
上段：入力波形（４５５ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
下段：ＯＰアンプ出力波形
（縦軸：５Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
非反転型・半波整流回路の改良のノウハウ
改良のノウハウと言っても、図１の非反転型・半波整流回路の動作原理説明図で、ＯＰアンプの出力端子にダイオードを１個追加しただけです。図１１に非反転型・半波整流回路（改良版）の動作原理説明図を示します。
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| 図１１． 非反転型・半波整流回路（改良版）の動作原理説明図 |
（１）電圧振幅が正（Ｖｉｎ＞０）のとき［図１１（ａ）の正弦波が正の振幅のとき］
ＯＰアンプの入力は、このとき仮想ショート（imaginary short）が成り立ちます。
ここで、回路図を見ると反転入力端子は Ｖoutに接続されていますので、Ｖｉｎ＝Ｖｏｕｔ という関係が成り立ちます。このとき、抵抗Ｒには
Ｖｏｕｔ／Ｒ 相当の電流が、ＯＰアンプの出力端子から、ダイオードＤ１を通って抵抗Ｒに流れ込んでいます。すなわち、ダイオードＤ１は、順方向にバイアスされており、その電圧降下がＶＦ１になっています。
一方、追加したダイオードＤ２は逆方向にバイアスされているため、電流は流れません。
したがって、このときは図１のときと同じ動作になります。
（２）電圧振幅が負（Ｖｉｎ＜０）のとき［図１１（ａ）の正弦波が負の振幅のとき］
負の入力電圧が、非反転入力端子に加えられると、ＯＰアンプ出力は負方向に推移します。このとき、ダイオードＤ１は、逆方向にバイアスされるため、ダイオードＤ１には電流が流れません。したがって、Ｖｏｕｔ出力はゼロのままとなっています［図１１（ｃ）］。
一方、このときダイオードＤ２は順方向にバイアスされるため、ＯＰアンプ出力は、その電圧降下がＶＦ２になっています。ダイオードＤ２がなければ、ＯＰアンプ出力は負方向にどんどん推移して、負電源ＶＥＥ付近まで下がってしまいましたが、Ｄ２によりＶＦ２以下には下がりません。（ダイオード・クランプといいます。）
従って、ダイオードＤ１の逆方向電圧は、ＶＦ２ですので、逆方向耐圧の低いショットキ・バリア型のダイオードも耐圧を気にせず使用可能になります。一方、ダイオードＤ２の耐圧ですが、入力電圧＋ＶＦ１ですので、入力電圧が小さければ、逆方向耐圧の低いダイオードでも使えます。ただし、Ｄ２が順方向になったときには、ＯＰアンプの駆動出力電流程度の電流が出力に流れ込みますので、ＩＦの最大定格が低いダイオードを使用する場合には注意してください。
（１）ＬＦ４１２使用，入力周波数２０ｋＨｚ正弦波
図１２（ａ）（ｂ）に、そのときの波形データを示します。図７（ｂ）に示すように、入力電圧が負に変化するとき、ＯＰアンプの出力電圧が−１Ｖ程度にクランプされています。
図12（ａ）．ＬＦ４１２使用、入力周波数２０ｋＨｚ
改良版の入力／出力波形
上段：入力波形（２０ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
下段：出力波形（半波整流出力）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
図12（ｂ）．ＬＦ４１２使用、入力周波数２０ｋＨｚ
改良版の入力／ＯＰアンプ出力波形
上段：入力波形（２０ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
下段：ＯＰアンプ出力波形
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
（２）ＬＦ４１２使用，入力周波数１００ｋＨｚ正弦波
それでは、入力周波数が１００ｋＨｚのときではどうでしょうか？図１３を見て下さい。改良前のデータ（図８）では、半波整流とは言えないような波形でしたが、ダイオード１個の追加で改善！！どうです、きれいな出力波形でしょう。(^^;)
図13．ＬＦ４１２使用、入力周波数１００ｋＨｚ
改良版の入力／出力波形
上段：入力波形（１００ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：５μｓ／ｄｉｖ）
下段：出力波形（半波整流出力）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：５μｓ／ｄｉｖ）
（４）ＬＭ６３６１使用，入力周波数４５５ｋＨｚ正弦波
４５５ｋＨｚともなると、ＬＦ４１２では少し厳しいので、ＬＭ６３６１を使って、入力周波数４５５ｋＨｚのデータをとってみました。
図14．ＬＭ６３６１使用、入力周波数４５５ｋＨｚ
改良版の入力／出力波形
上段：入力波形（４５５ｋＨｚ正弦波）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
下段：出力波形（半波整流出力）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
やや歪んでいる気がしますが・・・。もう少し別の方式の回路、次は反転型の半波整流回路を見ていきましょう。
［次へ］は、反転型の半波整流回路のページへ
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