外付け部品が少ない、低コストのピーク検出器

2005.11

外付け部品が少ない、低コストのピーク検出器

Anthony H Smith　英Scitech社

　図1に回路、図2に特性を示す正側ピーク電圧検出器は、整流ダイオードが不要で、Texas Instruments社の「TLC372」高速コンパレータIC₁のオープン・ドレイン出力を活用している。この検出器は、正負電源タイプ（図1）・正電源タイプ（図2）ともにシンプルかつ低コストで、バッファ付き低インピーダンスの出力を提供する。

図1 この正側ピーク電圧検出器の正負電源タイプは、コンパレータとデュアル・オペアンプという、わずか2つの能動デバイスで出来上がる

図2　ピーク信号レベルと出力電圧を3つのピーク・レベルに対してプロットした周波数特性

　しかも、TLC372は、標準値が1012Ωという高入力インピーダンスのため、入力バッファは不要である。図1のように、オペアンプIC_2Aから得られるピーク検出器の出力電圧は、コンパレータに帰還信号として印加され、入力信号の振幅を比較する基準レベルを提供する。最初に入力信号V_INを印加したときには、ピーク電圧保持容量C₁の電圧は0Vで、V_OUTAも0Vである。
　入力電圧が出力V_OUTAよりも正側になると、コンパレータ内部の出力MOS FETがオンになって、R₁を通してシンク電流を引き込む。R₂が比較的大きいとすると、充電電流がIC_2Aの出力からC₁に流れ込む。入力信号の何サイクルかにわたって、C₁上に電荷が蓄積され、V_OUTAが上昇して、V_INのピーク・レベルを若干超える点まで達する。V_OUTAがV_INよりも若干大きい限り、IC₁の出力MOS FETはオフ状態に留まり、C₁にそれ以上の電荷パケットが蓄積されることはない。

　その結果、C₁の蓄積電荷が、R₂を通り、さらにバイアス電流パスを通って、IC_2Aの逆相入力に向かって放電する。それにつれて、C₁上に蓄積された電荷が放電し始める。V_OUTAは、V_INのピーク・レベルよりわずかに低くなるまで、徐々に低下していく。そこで、V_INの次の正側ピークがコンパレータIC₁を始動し、IC₁がR₁を通して電流を引き込み、C₁に電荷を「補給」する。
　このプロセスにより、入力電圧の正側ピーク値にきわめて近い直流電圧が、V_OUTAに発生する。R₁、R₂、C₁は、V_OUTA上に現れるリップル電圧を抑える。
　IC_2Aの逆相入力は仮想グラウンド電位に保たれているので、IC₁の出力MOS FETがオン状態のときは、R₁にかかる電圧は負電源電圧-V_Sにほぼ等しい。このため、R₁の値が小さければ、比較的大きな電流パルスがC₁に注入され、回路は入力電圧が突然増大しても迅速に応答することができる。つまり、「高速アタック」応答が得られるのである。しかし、R₁が小さすぎると、V_OUTA上の正方向に変化するリップルが過剰になり、V_INのピーク値付近で発振してしまうことがある。
　R₂に対して、C₁は回路の「遅延時間」を決定する。比較的大きな容量を用いれば、V_OUTA上の負側に変化するリップルが最小化され、低周波パルス列や、低デューティ・サイクル・パルス列、あるいは両者を取り扱うのに好都合である。
　しかし、C₁を大きくしすぎると、入力電圧が急減したときに、検出器の応答が鈍くなる。C₁もまた、高速応答に影響するのである。例えば、容量を2倍にすると、回路が入力電圧のピーク値をキャッチするのに要する時間は2倍になってしまう。
　コンパレータIC₁の帰還パスにオペアンプIC_2Aが入っているため、IC_2Aのオフセットと誤差は検出誤差に影響しない。低周波から中程度の周波数では、ピーク検出の総合誤差は、コンパレータの入力オフセット誤差だけで決まる。高周波では、コンパレータの応答速度が重要なファクターになって、V_OUTAの低下を発生じ、周波数が高くなるほど著しくなる。
　このような制約があるものの、このピーク検出回路は、約50Hzから500 kHzまでの何桁にもわたる周波数範囲で良好に機能する。図2と表1は、この回路の対正弦波入力の周波数特性で、最終出力電圧V_OUTBの誤差を入力電圧V_INの3つのピーク・レベルに対してプロットしている。

表1　正弦波に対する周波数特性

図3　500mVの400kHz正弦波入力電圧波形と、それに対する出力電圧波形のオシロスコープ写真

　図3はオシロスコープによる波形写真で、500mVピークの400kHz正弦波に対するこの回路の応答を示している。出力電圧は488mVで、入力電圧の正側ピーク値よりわずかに低いだけである。この回路は、良好な正弦波応答特性を示すのに加えて、デューティ・サイクルが最小5％までの矩形波に対しても良好な結果を示している。
　注意すべき点は、IC_2Aの逆相入力の仮想グラウンドが、V_OUTBを正電圧だけに制限していることである。したがって、この回路は、真の正側ピーク、つまり、0Vよりも上に振れるピークに限って応答する。入力信号が0Vよりも完全に下の場合には、V_OUTBは単に0Vを保つことになる。
　この回路の動作にとって本質的ではないが、R₃、C₂、IC_2Bで形成される低域通過フィルタとバッファは、V_OUTBに現れるスイッチング・ノイズをも最小にすることができる。その一方で、オペアンプIC_2Bに固有のオフセット誤差がフィルタの出力電圧に影響を及ぼす。
　図4は、この回路の正電源タイプである。R_AとR_BはIC_2Aの正相入力の基準電圧V_REFを設定するもので、逆相入力の仮想電位をV_REFに等しく保つようにしている。

図4　正電源タイプでは、基準電圧を抵抗R_AとR_Bによって設定する

　V_INがV_OUTよりも正になると、コンパレータの出力MOS FETがオンになり、出力が0Vになって、V_REFに等しい電位をR₁に印加する。そして、V_REF/R₁に等しい電流パルスをC₁に注入する。この回路はほとんどの点で、図1と同じように動作する。図1の正負電源タイプと同じように、V_OUTは、オペアンプの正相入力の電位より下になることはできない。このため、V_INの中心電位がV_REFに等しい必要はないものの、V_INの正側ピーク電圧はV_REFより高くなければならない。
　V_REFの値を選定するには、オペアンプIC_2AとコンパレータIC₁の入力と出力同相モード電圧範囲、入力信号の最大ピーク間振幅を調べる。例えば、正電源電圧+V_Sを10Vに、R_A=R_Bに設定すると、V_REF=5Vとなる。このピーク電圧検出器は0Vから約8Vまでの入力に対応することができ、5Vから8Vの正電圧ピークを検出する。R₁は、選んだV_REFによって決まることに留意されたい。

「design ideas」への寄稿のお願い

「design ideas」は米EDNの「名物コラム」です。このコラムは、電子機器設計や電子回路設計などの現場で働く技術者の皆さまからのご寄稿により成り立っています。そこで、「EDN Japan」でも半導体メーカーや電子機器メーカーの電子技術者のほか、大学などの研究者、コンサルタント業務に携わる技術者などの皆さまからのご寄稿を募集します。

【記事内容】
・	電気/電子回路の新たな提案とその説明。
・	半導体製品に搭載した新たな回路の紹介。
・	半導体/電子部品の面白い使い方。
・	半導体/電子回路の性能を引き出す、あるいは部品の弱点を補う回路の提案。
などです。上記以外のテーマについては、別途ご相談ください。

【原稿の長さ】
・	1～2ページ。文字数は1000～1500、図版は1～2点です。

【原稿料】
・	採用原稿に対して、400字当たり3000円（税込み）。

【注意点など】
・	未発表のものに限定します。
・	ご寄稿いただいた原稿は、EDN Japanで選考して、採用/不採用を決めさせていただきます。ご寄稿いただいた原稿は、お返しできません。
・	ご寄稿いただいた原稿に対して、加筆、改筆をお願いする場合がございます。
・	掲載した原稿の著作権はEDN Japanに帰属します。

design ideasへのご寄稿に関するご質問、ご要望などは、 EDN Japan編集部、住所：〒107-0051東京都港区元赤坂1-7-17 テラサワビル4F 電話： 03-3402-0076、FAX：03-3402-0209 e-mail：ednjreader@reedbusiness.jp


雑誌無償購読申込み	ニュースレター登録	この記事に対する感想/ご意見


	Reed Electronics Group
	Electronic BUSINESS Japan　\|　Design Ｎews Japan　\|　Semiconductor INTERNATIONAL　\|　DETAIL JAPAN


	EDN Japanについて　\|　広告掲載について　\|　サイトマップ　\|　お問合せ

		Copyright (C) 2000-2007 Reed Business Information Japan K.K.

	個人情報に関する方針　\|　著作権・リンクについて　\|　会社情報