高速動作対応の全波整流回路の設計これまでご紹介してきた全波整流回路ですが、４５５ｋＨｚ程度までなら実用可能なレベルと思います。さらに高周波までの正確な整流を期待する場合には、理想ダイオードの回路を根本的に考え直さなければなりません。
図１は、二つのＮＰＮトランジスタのエミッタ・フォロワ出力を接続した回路です。次に、この回路の動作を考えてみることにしましょう。
高速動作対応の全波整流回路の設計
これまでご紹介してきた全波整流回路ですが、４５５ｋＨｚ程度までなら実用可能なレベルと思います。さらに高周波までの正確な整流を期待する場合には、理想ダイオードの回路を根本的に考え直さなければなりません。
図１は、二つのＮＰＮトランジスタのエミッタ・フォロワ出力を接続した回路です。次に、この回路の動作を考えてみることにしましょう。
 |
| 図１．二つのエミッタ・フォロワの出力接続回路 |
二つのＮＰＮトランジスタのエミッタ・フォロワ出力を接続すると、図２（ａ），（ｂ）に示すように入力端子Ｖｉｎ１とＶｉｎ２で、端子電圧の大きい方が出力に得られます。すなわち絶対値回路になるわけです。
 |
| 図２（ａ）． 入力電圧が、Ｖｉｎ１＞Ｖｉｎ２ のときの動作 |
図２（ａ）は、二つのＮＰＮトランジスタのエミッタ・フォロワ出力接続回路で、入力電圧がＶｉｎ１＞Ｖｉｎ２の条件での動作を示します。このとき、入力電圧が大きい方のトランジスタＴｒ１が動作し、Ｔｒ２はＯＦＦします。したがって、トランジスタを流れる電流は図２（ａ）のように、Ｔｒ１の方へ流れます。
さて、出力電圧ですが、トランジスタＴｒ１のベース・エミッタ間の電位差はＶＢＥ１となるので、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ１−ＶＢＥ１ となります。ＶＢＥ１の値は、シリコントランジスタであれば概ね０．７Ｖ程度になります。したがって、出力電圧は入力電圧よりも０．７Ｖ低くなります。
一方、Ｔｒ２のＶＢＥ２ですが、逆方向にバイアスされるため、ＶＢＥ２＜０になっています。
 |
| 図２（ｂ）． 入力電圧が、Ｖｉｎ１＜Ｖｉｎ２ のときの動作 |
図２（ｂ）は、二つのＮＰＮトランジスタのエミッタ・フォロワ出力接続回路で、入力電圧がＶｉｎ１＜Ｖｉｎ２の条件での動作を示します。このとき、入力電圧が大きい方のトランジスタＴｒ２が動作し、Ｔｒ１はＯＦＦします。したがって、トランジスタを流れる電流は図２（ｂ）のように、Ｔｒ２の方へ流れます。出力電圧は、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ２−ＶＢＥ２ となります。
ですから、一方のエミッタ・フォロワにＶｉｎを入力し、他方に−Ｖｉｎを入力すれば、Ｖｉｎの絶対値が得られることになります。
 |
| 図３． 二つのエミッタ・フォロワの出力接続回路を用いた全波整流回路 |
図３は、二つのエミッタ・フォロワの出力接続回路を用いた全波整流回路を示します。トランジスタＴｒ２の入力にはＶｉｎをそのまま接続しますが、トランジスタＴｒ１の入力には反転回路を接続します。したがって、図３（ａ）の入力信号ＶｉｎはＴｒ２の入力信号波形に相当し、図３（ｂ）の反転回路の出力波形はＴｒ１の入力信号波形に相当します。図３（ｃ）に、この全波整流回路の出力信号波形Ｖｏｕｔを示します。
これまで述べてきたように、この回路では出力にエミッタ・フォロワをそのまま用いているので、ＶＢＥ分だけ電圧が下がります。約０．７Ｖも！！ これはかなり大きい誤差です。しかし、図４のように少し出力回路を変えるノウハウで、誤差を減らすことができます。
 |
| 図４．エミッタ・フォロワの出力補正回路 |
図４に、エミッタ・フォロワ回路のＶＢＥ低下誤差を補正する回路ノウハウを示します。
これは、Ｔｒ１あるいはＴｒ２により、ＶＢＥだけ下がった電位を、Ｔｒ３を用いて持ち上げてやろうというものです。
すなわち、Ｖｉｎ１＞Ｖｉｎ２のとき、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ１−ＶＢＥ１＋ＶＢＥ３ですが、ＶＢＥ１＝ＶＢＥ３となるようにすれば、Ｖｏｕｔ≒Ｖｉｎ１とすることが可能です。同様にして、Ｖｉｎ１＜Ｖｉｎ２のとき、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ２−ＶＢＥ２＋ＶＢＥ３で、ＶＢＥ２＝ＶＢＥ３となるようにすれば、Ｖｏｕｔ≒Ｖｉｎ２となります。Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３を特性のそろったトランジスタを使うことも大事ですが、ＶＢＥの値をそろえるようにＲ３の抵抗値を最適にして、Ｔｒ３を流れる電流値と、Ｔｒ１もしくはＴｒ２がＯＮのときの電流値を、概ね同じにする必要があります。
その他の注意点としては、トランジスタがＯＦＦとなるときのベース・エミッタ間電圧が、Ｖｉｎ１とＶｉｎ２との差分だけ逆バイアスされます。一般に、ベース・エミッタ間の耐圧はあまり高くないので（２ＳＣ１８１５は、約５Ｖ）、信号振幅はそれ以下に抑える必要があります。
少ない高精度抵抗で作る全波整流回路の設計
全波整流回路を精度良く作ろうと思うと、高精度抵抗が多数必要です。図５の回路では２本の高精度抵抗だけですみます。
 |
| 図５． 少ない高精度抵抗で作る全波整流回路 |
この回路は、理想ダイオード回路ＯＰ１と、電圧フォロワＯＰ２を組み合わせたものと考えられます。この回路の動作を考えてみましょう。
図６（ａ），（ｂ）のように、入力電圧の正負で場合分けしてみると考えやすいです。
 |
| 図６（ａ）． 少ない高精度抵抗で作る全波整流回路の動作（入力電圧がＶｉｎ＜０のとき） |
入力電圧がＶｉｎ＜０のとき、ダイオードＤ２はＯＦＦになり、Ｄ１が導通します。このとき図に示すように、Ｄ１，ＯＰ２，Ｒ２を通る負帰還ループができます。入力端子と半波整流回路部間にＲ３がありますが、出力電圧には何ら関係ありません。また、電圧フォロワのＯＰ２ですが、帰還ループに入っていますので、これも出力電圧には何ら関係ありません。そうすると、Ｒ１，Ｒ２，ＯＰ１で構成される一般的な反転回路と同様に考えることができ、Ｒ１＝Ｒ２であれば出力電圧はＶｏｕｔ＝−Ｖｉｎとなります。
 |
| 図６（ｂ）． 少ない高精度抵抗で作る全波整流回路の動作（入力電圧がＶｉｎ＞０のとき） |
入力電圧Ｖｉｎ＞０のときは、Ｄ１がＯＦＦになり、ＯＰ１の出力をＯＰ２から切り離します。すなわち、ＯＰ１の出力電圧は何ら関係ありません。一方、ＯＰ２の入力はＲ３を通してＶｉｎが入力されます。ＯＰ２は電圧フォロワのため、出力はＶｏｕｔ＝Ｖｉｎとなります。
抵抗値については、Ｖｉｎ＜０のときにＲ１とＲ２の抵抗比だけが精度に影響し、Ｒ３は無関係です。ただし、Ｄ１の漏れ電流やＯＰ２の入力バイアス電流がＲ３を流れることによって誤差を生じますから、極端に大きな値は避ける方が良いでしょう。また、精度は抵抗の絶対値ではなく抵抗比Ｒ１：Ｒ２に依存しますから、抵抗アレイを用いて精度を向上できます。また、トリマで調整する場合でも、Ｒ１の一箇所だけですみます。なお、当然のことながら、Ｖｉｎの信号源抵抗はＲ１に比べて十分に小さい必要があり、無視できない場合それがそのまま誤差となります。このような場合は、入力にバッファ・アンプなどをつけるようにします。
ＯＰアンプ１個で作る全波整流回路の設計（その１）
精度は多少悪くなりますが、図７に示すようにＯＰアンプ１個だけでできる全波整流回路を紹介します。抵抗の数も３本（精度に影響するのはそのうち２本）ですみます。
 |
| 図７． ＯＰアンプ１個で作る全波整流回路１ |
この回路は、反転型の理想ダイオードに抵抗Ｒ３を挿入したものと考えられます。この回路の動作を考えてみましょう。
図８（ａ），（ｂ）のように、入力電圧の正負で場合分けしてみると考えやすいです。
 |
| 図８（ａ）． ＯＰアンプ１個で作る全波整流回路１の動作（入力電圧Ｖｉｎ＜０のとき） |
Ｖｉｎ＜０のときは、Ｄ１が導通してＤ１，Ｒ２，Ｒ３を通る負帰還ループができます。ここで、Ｒ３を流れる電流が無視できるくらい小さければ、Ｒ１とＲ２の分圧点の電圧は０となり、一般の反転型回路とみなせます。Ｒ１＝Ｒ２であれば、出力Ｖｏｕｔ＝−Ｖｉｎが得られます。
 |
| 図８（ｂ）． ＯＰアンプ１個で作る全波整流回路１の動作（入力電圧Ｖｉｎ＞０のとき） |
入力電圧Ｖｉｎ＞０のときは、Ｄ１がＯＦＦになり、ＯＰ１の出力をＶｏｕｔ端子から切り離します。すなわち、ＯＰ１の出力電圧は何ら関係ありません。ＯＰ１の反転入力端子は仮想ショートとなっているため、ＯＰ１側のＲ３は０Ｖとみなせます。したがって、このときＲ１とＲ３の分圧点Ｖ’から出力Ｖｏｕｔを取り出すことになり、Ｖｏｕｔ＝｛Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ３）｝×Ｖｉｎとなります。
ここで、Ｒ３＞＞Ｒ１であれば、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎとみなすことができます。このように、図７の回路は全波整流回路として働くわけですが、精度の面から若干の制約があります。といっても、１％程度の精度は無理なく実現できますから、精度を重視する回路でなければ十分に実用になります(^^;)。
精度向上のノウハウは、Ｖｉｎ＞０のとき精度がほぼＲ３／（Ｒ１＋Ｒ３）で決まりますから、Ｒ３とＲ１の抵抗比を十分大きくとることです。Ｒ１（＝Ｒ２）については、抵抗値をあまり小さくとると、Ｖｉｎ＜０のときにＯＰアンプの出力が過負荷になってしまいますから、一般には５ｋΩ〜１０ｋΩぐらいが用いられます。一方、Ｒ３については、抵抗値をあまり大きくとると、ノイズを拾いやすくなりますし、また、Ｖｉｎ＜０のときにＲ３での電圧降下が大きくなってしまいます。実用的には１ＭΩ程度が上限です。
また、Ｖｉｎ＜０のときにＲ３を流れる電流を小さくするために、ＯＰアンプにはＦＥＴ入力のものを選びます。ダイオードＤ１にも、逆方向の漏れ電流が小さいものを選ぶ必要があります。また、この回路を用いる場合には、出力インピーダンスにも注意する必要があります。この回路は、Ｖｉｎ＞０のとき出力インピーダンスが大きい（Ｒ１＋Ｒ２で決まる）欠点があります。したがって、次段の回路の入力インピーダンスが小さい場合には、バッファが必要になり、部品点数が増えてしまいます。
ＯＰアンプ１個で作る全波整流回路の設計（その２）
図９の回路は、ＯＰアンプ１個、ダイオード２本，抵抗４本で全波整流回路を実現しています。
 |
| 図９． ＯＰアンプ１個で作る全波整流回路２ |
この回路の動作を考えてみましょう。図１０（ａ），（ｂ）のように、入力電圧の正負で場合分けしてみると考えやすいです。
 |
| 図１０（ａ）． ＯＰアンプ１個で作る全波整流回路２の動作（入力電圧Ｖｉｎ＞０のとき） |
ダイオードＤ２は常に導通してバイアス電圧（−ＶＦ２）を発生しています。このバイアス電圧は、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦ１をうち消すためのものです。すなわち、Ｄ１がＯＮのときにＶＦ１＝ＶＦ２であれば、ＯＰ１の非反転入力端子は０Ｖとみなせます。
入力電圧が正の半サイクル（Ｖｉｎ＞０）では、Ｄ１が導通してＯＰアンプの非反転入力を０Ｖに保つので、回路はゲイン１の反転増幅回路となります。すなわち、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎです。
 |
| 図１０（ｂ）． ＯＰアンプ１個で作る全波整流回路２の動作（入力電圧Ｖｉｎ＜０のとき） |
入力電圧が負の半サイクル（Ｖｉｎ＜０）では、Ｄ１は導通せず、ＯＰアンプの非反転入力はＲ３を通して電圧Ｖｉｎが加えられます。仮想ショートにより反転入力の電圧もＶｉｎであり、抵抗Ｒ１には電流が流れません。したがって、帰還抵抗Ｒ２にも電流は流れないことから、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎとなります。すなわち、この回路はダイオードの順電圧の影響を受けずに全波整流を行うことができます。
ＯＰアンプの仮想ショートが常に保たれて、ＯＰアンプ自体の動作は不連続にならないので、反転と非反転の切り替え時に遅れを生じることなく、高速の動作が可能です。ただし、実際にはＶＦ１とＶＦ２に若干の差があるため、順電圧を完全にうち消すことはできず、精度が悪くなります。
全波整流回路については、その他にも様々な設計があると思います。部品点数がより少なく、精度よく、かつ高速（高い周波数）で使えるものが、設計の重要なポイントと思われます。皆さんも、時間があれば実際にブレッドボードなどで回路を組んで実験されてみることをお勧めします。
［次へ］は、検波回路総括のページへ。
 |
 |
 |
|