ダイオードを使わず単電源OPアンプで作る全波整流回路

■問題

【 ADA4622 】

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，単電源OPアンプ(ADA4622)を2個使った全波整流回路になります．V₁の入力は，2ms以降で振幅が2V，周波数が1kHzの正弦波です．このとき，outの全波整流の波形として正しいのは図2の(a)～(d)のどれでしょうか．ただし，図1のOPアンプの特徴は「NチャネルJFET入力」,「単電源動作」,「出力レール・ツー・レール」のOPアンプです．

図1　単電源出力レール・ツー・レールOPアンプ2つで作る全波整流回路
ADA4622のデータシートより引用⁽¹⁾．

図2　図1のoutの波形
outの正しい波形は(a)～(d)のどれでしょうか？

(a)の波形　(b)の波形　(c)の波形　(d)の波形

■ヒント

　単電源OPアンプを正の電源(図1はV₂の5V)で動かすとき，OPアンプの同相入力電圧が0V(GND)になっても動作します．これをヒントに，入力波形が正の半波と負の半波で分けて回路の動作を検討すると分かります．

■解答

(a)の波形

●V₁が正の半波の場合
　最初に，V₁が正の半波の場合を検討します．図1のOPアンプ(U₁)を使った回路は，ユニティ・ゲイン・バッファで，AのノードにはV₁の信号と同じ波形の「振幅が2Vの正の半波」が現れます．OPアンプ(U₂)とR₁とR₂の負帰還アンプは，R₁の左側の信号とAのノードの信号の2つが，「振幅が2Vの正の半波」の同じ信号になるので，outは「振幅が2Vの正の半波」になります．
●V₁が負の半波の場合
　次にV₁が負の半波のときを検討します．負の半波のとき，図1のOPアンプ(U₁)を使ったユニティ・ゲイン・バッファは動作せずに，AのノードはGNDになります．AがGNDなので，OPアンプ(U₂)とR₁とR₂は，ゲイン「G=-1倍」の反転アンプとして動作します．反転アンプの入力は「振幅が2Vの負の半波」なので，outは「振幅が2Vの正の半波」になります．
　この動作より，V₁の正の半波と負の半波の両方で，outは「振幅が2Vの正の半波」になるので，(a)の波形が正解になります．

■解説

●入力にNチャネルJFETを用いたOPアンプ
　図3は，図1のOPアンプの入力段に使われているNチャネルJFETの差動対の回路になります．差動対とは2つ(1対)のトランジスタで構成され，入力信号の差分で動作する回路です．
　図3は，ADA4622で使用されているNチャネルJFETの部品(モデル)が無いため，LTspiceの部品にある2N4118を代用しています．ADA4622の等価回路図は，データシート⁽¹⁾の26ページに記載されているので参考にして下さい．

図3　JFETで差動対を作った回路例
V₁が0Vから5Vまでスイープしたときの差動対の動作を確認する．

　NチャネルJFETは，ソースの電圧よりゲート電圧が低いときに動作するデバイスです．このデバイスの特性より，図3のJ₁とJ₂のゲートがGNDのときでも差動対は動作します．J₁とJ₂のゲートは，OPアンプの反転端子と非反転端子なので，OPアンプの同相入力電圧が0V(GND)でも動作することになります．OPアンプの同相入力電圧が0Vを含むものを単電源OPアンプと呼びます．
　図3のV₁は同相信号で，J₁とJ₂のゲートに0Vから5Vまでの直流電圧を10mVステップで印加しています．この状態で差動対のJ₁とJ₂のドレイン電流が流れるかを確認します．
　図4は，図3のシミュレーション結果になります．図4の上段は，NチャネルJFETのゲート・ソース間電圧です．このようにゲート電圧は，ソース電圧より低い状態で動作します．
　図4の下段は，差動対のJ₁とJ₂のドレイン電流のプロットになります．V₁の電圧が0V(GND)でも差動対のドレイン電流は同じ電流で動作するのが分かります．
　このようにNチャネルJFETを使った差動対は，同相入力電圧が0Vのときに，停止せず動作します．

図4　図3のシミュレーション結果
上段はNチャネルJFETのゲート・ソース間電圧．
下段はJFETのドレイン電流．
V₁が0VのときJFETの差動対はドレイン電流を流して動作している．

●単電源OPアンプをユニティ・ゲイン・バッファにしたときの入出力特性
　図1には，OPアンプ(U₁)を使ったユニティ・ゲイン・バッファがあります．このユニティ・ゲイン・バッファを抜き出したのが図5になります．

図5　単電源OPアンプを使ったユニティ・ゲイン・バッファ回路
直流の入出力特性を調べる．

　単電源OPアンプを使ったユニティ・ゲイン・バッファは，0V以上の正側の電圧をoutからゲインが1倍で出力し，負側の電圧のときはGNDにする入出力特性になり，整流回路の役割をします．ここでは図5を用いて入出力特性を確認します．シミュレーションの条件は，OPアンプの電源が5Vの単一電源，入力のV₁は，-2Vから5Vを10mVステップでスイープし，そのときのoutの電圧をプロットします．
　図6は，図5のシミュレーション結果になります．図6より，V₁が負の電圧のときは，outは0V(GND)になります．V₁が0V以上になるとユニティ・ゲイン・バッファとして動作します．このように0Vを閾値(しきいち)にした整流回路として動作するのが分かります．

図6　図5のシミュレーション結果
V₁＜0VのときOPアンプ出力は0V，V₁≧0Vのときユニティ・ゲイン・バッファとなる．
この入出力特性は整流回路として利用できる．

●全波整流回路の机上計算
　図1の回路について，V₁の波形が正の半波(V_HW+)のときと負の半波(V_HW-)のときを分けて，全波整流回路の机上計算より解答を確認します．
　図7(a)は，図1の正の半波(V_HW+)のときの等価回路です．図5で調べたユニティ・ゲイン・バッファの出力は，正の半波と同じになるので，図7(a)の非反転端子にV_HW+を加えています．
　図7(b)は，負の半波(V_HW-)のときの等価回路になります．図5で調べたユニティ・ゲイン・バッファの出力は，GNDになるので，図7(b)の非反転端子はGNDに接続しています．

図7　全波整流回路を机上計算する回路
(a)は正の半波を検討する回路．(b)は負の半波を検討する回路．

▼正の半波の場合
　正の半波のときは，図7(a)の負帰還アンプにV_HW+の2つの入力信号が加わります．このときのoutは重ね合わせの理より，式1になります．図1は「R₁=R₂」なので，outには正の半波が現れます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

▼負の半波の場合
　負の半波のときは，OPアンプ(U₂)とR₁とR₂は，ゲイン「G=-1倍」の反転アンプとして動作します．この反転アンプの入力信号はV_HW-です．図1は「R₁=R₂」なのでゲイン「G=-1倍」の反転アンプになり，式2のようにoutはV_HW+になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　このように，正の半波と負の半波の検討より，outはV_HW+(振幅が2V)の全波整流になるのが分かります．

●全波整流回路のシミュレーション
　図8は，図1をシミュレーションする回路になります．OPアンプの電源は5Vの単一電源，入力のV₁は0ms～2msは無信号，2ms以降で振幅が2V，周波数が1kHzの正弦波です．

図8　図1をシミュレーションする回路
ADA4622のデータシートからの引用⁽¹⁾．

　図9は図8のシミュレーション結果になります．図9の上段が入力信号のV₁をinのラベルでプロット，中段がOPアンプ(U₁)のユニティ・ゲイン・バッファの出力をAのラベルでプロット，下段がoutのプロットです．
　図9の上段の正の半波のとき，図9の中段のユニティ・ゲイン・バッファの出力は，正の半波を出力する整流回路の役割をしているのが分かります．そして図9の下段のoutの信号は，正の半波を出力しています．
　次に図9の上段の負の半波のとき，図9の中段のユニティ・ゲイン・バッファの出力は，0V(GND)になります．0Vになるので，OPアンプ(U₂)とR₁とR₂は，ゲイン「G=-1倍」の反転アンプになり，outの信号が正の半波を出力しています．
　この動作より，図1は，全波整流していることがシミュレーションからも分かります．

図9　図8のシミュレーション結果
上段は入力信号のV₁の波形をプロット．
中段はAのラベルでU₁のユニティ・ゲイン・バッファ出力波形をプロット．
下段はoutの波形をプロット．

　以上解説したように，図1は，ダイオードの整流回路を使わず，代わりに単電源OPアンプを使ったユニティ・ゲイン・バッファの整流特性を利用しています．図1はOPアンプ2個で全波整流できるので，部品数が少なくなります．

◆参考・引用*文献
(1)アナログデバイセズ：ADA4622-1/ADA4622-2/ADA4622-4のデータシート

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_032.zip

●データ・ファイル内容
N channel JFET diff pair.asc：図3の回路
N channel JFET diff pair.plt：図3のプロットを指定するファイル
Input Output Characteristics ADA4622.asc：図5の回路
Input Output Characteristics ADA4622.plt：図5のプロットを指定するファイル
Simple Full wave rectifier ADA4622：図8の回路
Simple Full wave rectifier ADA4622：図8のプロットを指定するファイル