全波整流回路の動作原理
［特徴］全波整流回路は、入力電圧の絶対値を出力するため、絶対値回路とも呼ばれます。すなわち、入力電圧をＶｉｎ、出力電圧をＶｏｕｔとすると、Ｖｉｎ＞０のときＶｏｕｔ＝Ｖｉｎになり、Ｖｉｎ＜０のときは、Ｖｏｕｔ＝−Ｖｉｎというようになります。
全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、ＯＰ１で構成されている回路は反転型・半波整流回路ですので、この部分の出力Ｖ’は、Ｖｉｎ＞０のとき、Ｖ’＝−Ｖｉｎ、Ｖｉｎ＜０のときＶ’＝０となります。
ＯＰ２で構成されている回路は、反転型・加算回路です。抵抗値の条件で、Ｒ４＝Ｒ／２となっているので、ＶｉｎとＶ’を１：２の比で加算し、それを反転して出力します。すなわち、Ｖｉｎ＞０のとき Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ、Ｖｉｎ＜０のとき Ｖｏｕｔ＝−Ｖｉｎが得られます。
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| 図１． 全波整流回路の動作原理説明図 |
全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ＬＭ６３６１×２個を使用。ダイオードは汎用品の１Ｓ１５８８を使用。抵抗は金属被膜抵抗器を使用し、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ５＝１０ｋΩ、Ｒ４＝１０ｋΩ//１０ｋΩ（１０ｋΩ並列接続）とした。電源電圧は±１２Ｖ。
（１）ＬＦ４１２使用，入力周波数２０ｋＨｚ正弦波
図２（ａ）（ｂ）に、そのときの波形データを示します。図２（ａ）の出力電圧波形より、全波整流動作をしていることが分かります。図２（ｂ）は、ＯＰ１で構成されている回路のＶ’出力電圧波形を示しました。反転型・半波整流動作をしています。
図２（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）
下段：出力波形（全波整流出力）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：２５μｓ／ｄｉｖ）
図２（ｂ）．ＬＦ４１２使用、入力周波数２０ｋＨｚ
入力／Ｖ’出力波形（半波整流回路部）
上段：入力波形（２０ｋＨｚ正弦波）
下段：Ｖ’出力波形（半波整流回路部）
（縦軸：２Ｖ／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３に入力周波数が１００ｋＨｚのときのデータを示します。やや全波整流出力波形の歪みが大きくなりました。
図３．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）
下段：出力波形（全波整流出力）
（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４にそのときのデータを示します。出力波形はかなり歪みが見られています。よく見ると入力電圧波形のピークと出力波形のピークがズレています。これはＯＰ１で構成されている反転型・半波整流回路の出力に遅延があるためです。もはや、全波整流波形には見えませんね。
図４．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）
下段：出力波形（全波整流出力？）
（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５（ａ）に全波整流出力波形を示します。先ほどの図４と比べたら、全波整流波形らしくなりました。でも、少し歪みが見られるようです。
図５（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）
下段：出力波形（全波整流出力）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
図５（ｂ）．ＬＭ６３６１使用、入力周波数４５５ｋＨｚ
入力／Ｖ’出力波形（半波整流回路部）
上段：入力波形（４５５ｋＨｚ正弦波）
下段：Ｖ’出力波形（半波整流回路部）
（縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ）
全波整流回路の改良ノウハウ
図５（ａ）ＬＭ６３６１使用４５５ｋＨｚ全波出力波形で、よく見ると波形が少し歪んでいます。スペアナの検波回路として、絶対値出力を平均化して直流化する場合はあまり問題とはなりませんが、高い周波数で波形を重視する用途にも使いたい人には気になるところです。
波形が歪む原因ですが、図１のＲ３に流れる電流に対してＲ４側は、ＯＰアンプが１段入るために時間遅れを生じ、電流波形の加算がうまくいかなくなるためです。さらにＯＰ１をもっと高速なＩＣにすれば、出力波形は改善できます。しかし、それだけ部品の値段が高くなります。そこで、ちょっとしたノウハウで、波形が改善できるように、もう少し考えてみましょう。
図６に全波整流回路の改良を示します。入力信号がそのまま加算される経路に入っているＲ３の箇所ですが、Ｒ３の１／２の抵抗を２本直列にし、その中間をコンデンサＣ１で接地することにより、若干の時間遅れが作れるのです。また抵抗値の条件ですが、関係式を満たすことはもちろんですが、ＯＰアンプの周辺抵抗は、全体的に１ｋΩ〜２ｋΩ程度に抵抗値を小さくしてください。ストレ容量やＩＣの入力容量による影響を少なくできます。ダイオードは順方向電圧が小さく、高速動作が可能なショットキ・バリア型のダイオードを使用することは言うまでもありませんネ。
あと一つ注意することがあります。高速・広帯域ＯＰアンプは、フォロワで使用すると発振するものが多いです。ＬＭ６３６１では安定に動作しますが、ＬＭ６３６４，ＬＭ６３６５は不安定になりやすいので、この回路ではあまりお勧めできません。
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| 図６． 全波整流回路の改良 |
全波整流回路 改良前後の実験データ
図７（改良前）、図８（改良後）として入出力波形データを示します。改良前後の波形を比較すると、その効果は一目瞭然です。図中、矢印で示した箇所に注目して下さい。この部分がうまく加算できていないところです。
（１）改善前
図１の回路で、ＯＰアンプはＬＭ６３６１×２個を使用。ダイオードは汎用品の１Ｓ１５８８を使用。抵抗は金属被膜抵抗器を使用し、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ５＝１０ｋΩ、Ｒ４＝１０ｋΩ//１０ｋΩ（１０ｋΩ並列接続）とした。電源電圧は±１２Ｖ。
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| 図７．全波整流回路改善前の入力／出力波形 上段：入力波形（４５５ｋＨｚ正弦波） 下段：出力波形（全波整流出力） （縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ） |
（２）改善後
図６の回路で、ＯＰアンプはＬＭ６３６１×２個を使用。ダイオードは検波用の１Ｎ６０を使用。抵抗は金属被膜抵抗器を使用し、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ５＝２ｋΩ、Ｒ４＝１ｋΩ、Ｒ３の箇所は１ｋΩと１ｋΩにして、その中間をＣ１＝２７ｐＦのセラミックコンデンサを使用した。電源電圧は±１２Ｖ。
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| 図８．全波整流回路改善後の入力／出力波形 上段：入力波形（４５５ｋＨｚ正弦波） 下段：出力波形（全波整流出力） （縦軸：２Ｖ／ｄｉｖ，横軸：１μｓ／ｄｉｖ） |
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