外付け部品が少ない低コストのピーク検出器：Design Ideas 計測とテスト（1/2 ページ）

今回は、整流ダイオードが不要で、Texas Instrumentsの高速コンパレーター「TLC372」のオープンドレイン出力を活用した、外付け部品が少ない低コストの正側ピーク電圧検出器を紹介する。

[Anthony H Smith（Scitech），EDN Japan]

入力バッファは不要

　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の高速コンパレーター「TLC372」（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（後述）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。

　しかも、TLC372は、標準値が10TΩ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、コンパレーター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。

図1：正側ピーク電圧検出器（正負電源タイプ） （クリックで拡大）
コンパレーター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構成している。

　入力電圧が出力V_OUTAよりも正側になると、コンパレーター内部の出力MOSFETがオンになって、R₁を通して電流を引き込む。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MOSFETはオフ状態にとどまり、C₁にそれ以上の電荷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ー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極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の逆相入力は仮想接地電位に保たれているので、IC₁の出力MOSFETがオン状態のときは、R₁にかかる電圧は負電源電圧−VS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。

約50Hzから500kHzまでの周波数範囲で良好に機能

　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。

図2：ピーク信号レベルと出力電圧誤差を3つのピークレベルにプロットした周波数特性 （クリックで拡大）

表1：正弦波に対する周波数特性 （クリックで拡大）

　コンパレーター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、ピーク検出の総合誤差は、コンパレーターの入力オフセット誤差だけで決まる。高周波では、コンパレーターの応答速度が重要なファクターになって、V_OUTAの低下を生じ、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、ピーク検出回路は、約50Hzから500kHzまで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示している。