高速コンパレータを使用したパルス・ストレッチャ

■問題

【 LTC6752 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，高速コンパレータ(LTC6752)を使用したパルス・ストレッチャです．このパルス・ストレッチャは，IN端子に入力された微小な短時間パルスを，ロジック・レベルの振幅で，一定パルス幅の信号に変換してOut端子に出力します．
　この回路のIN端子に「振幅：50mV，パルス幅：10ns」の信号を加えたとき，出力パルス幅は(a)～(d)のどれに近いでしょうか．なお，LTC6752は±2.5mVのヒステリシス(履歴現象)を持っており，「+入力端子」が「-入力端子」よりも2.5mV以上大きくなると，出力がハイ・レベル(V_CC)になります．

図1　高速コンパレータを使用したパルス・ストレッチャ⁽¹⁾
振幅50mV，パルス幅10nsの信号を加えたとき，出力パルス幅は？

(a) 100ns　(b) 200ns　(c) 300ns　(d) 400ns

■ヒント

　出力パルス幅は，R₈とC₁および，B点の電圧で決まります．まず，入力信号が入ったとき，B点の電圧がいくつになるかを計算してみてください．

■解答

(a) 100ns

　図1の回路のIN端子に，電圧が印加されると，Out端子および，A点がV_CCと同じ電圧になります．このとき，B点の電圧(V_B)は次式となり0.51Vになります．
　　V_B=V_CC*R₆*/(R₅//R₇+R₆)=3.3*2k*(22k//22k+2k)=0.51
　C点の電圧は最初は0Vで，その後C₁がR₈で充電されていきます．C点の電圧がB点の電圧と等しくなるまで，パルスが出力されます．そのため，パルス幅(P_W)は次式となり，解答は(a) 100nsとなります．
　　P_W=ln(1/(1-V_B/V_CC))*C₁*R₈=ln(1/(1-0.51/3.3))*100p*5.6k=94n

■解説

●パルス・ストレッチャとは
　パルス・ストレッチャの用途としては，レーザ光を使用した距離計などがあります．レーザ距離計では，非常に短いパルス幅のレーザ光を対象物に照射し，その反射光を検出する必要があります．このとき，光センサから得られる，微弱で幅の短い信号を，ロジック・レベルに変換するために，パルス・ストレッチャを使用します．

●高速コンパレータのヒステリシス
　コンパレータの利得は非常に大きいため，+入力端子と-入力端子の電圧が近い場合，ノイズで出力がランダムに変化してしまうことがあります．そのため，今回使用するLTC6752にはヒステリシス回路が内蔵されており，ノイズによる誤動作を防いでいます．
　図2は，LTC6752のヒステリスをシミュレーションで確認する回路です．+入力端子の電圧を-10mVから+10mVまで変化させ，Out端子の電圧が変化するポイントを観察します．

図2　LTC6752のヒステリスをシミュレーションで確認する回路
+入力端子の電圧を-10mVから+10mVまで変化させる．

　図3は，図2のシミュレーション結果です．Out端子の電圧は，in端子の電圧が+2.5mV以上で3.3Vになり，-2.5mV以下で0Vとなっています．この回路のヒステリシス幅は5mVということになります．

図3　LTC6752のヒステリスのシミュレーション結果
ヒステリシス幅は5mVとなっている．

●パルス・ストレッチャの動作
　ここからは，パルス・ストレッチャがどのように動作するのか，順番に考えていきます．
　図4は，図1の回路に，入力信号(Vin)が0Vのときの各部の電圧を書き込んだものです．Vinが0Vのときは，全てのポイントの電圧が0Vとなります．
　コンパレータ(U₂)の+入力端子と-入力端子の電圧差は0Vですが，スレッショルド電圧が2.5mVのため，出力電圧は0Vとなります．

図4　入力信号が0Vのときの，パルス・ストレッチャ各部の電圧
全てのポイントの電圧が0Vとなる．

　次に図5で，Vinが50mVになったときの各部の電圧を考えます．

図5　入力信号が50mVになったときの，パルス・ストレッチャ各部の電圧
Out端子とA点の電圧が3.3Vになる．

　D点の電圧が12.5mV以上になるため，コンパレータ(U1)の出力(Out端子)は3.3Vになります．Out端子が3.3Vになることによって，B点の電圧が上昇し，コンパレータ(U₂)の出力(A点）も3.3Vになります．なお，C点にはコンデンサ(C₁)が付いているため，C点の電圧はすぐには変化せず，R₈により充電されることで上昇していきます．このときのB点の電圧(V_B)は式1で計算することができます．

・・・・・・・・・・・・・・(1)

　また，D点の電圧(V_D)は，Vinが0Vに戻った後も，A点の電圧によって引き上げられるため，式2の値を維持します．

・・・・・・・(2)

　そのため，C点の電圧が上昇してU₂が反転するまで，Out端子は3.3Vを維持することになります．

●パルス・ストレッチャのパルス幅
　図5において，A点の電圧がV_CCと同じ3.3Vに変化すると，C₁はR₈によって充電され，電圧が上昇していきます．V_Cの時間的変化は，経過時間をtとすると，式3で表すことができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　V_CがV_Bよりも大きくなると，A点の電圧が0となり，Out端子の電圧も0Vとなります．つまり，V_CがV_Bと同じ電圧になる時間が，パルス・ストレッチャのパルス幅(P_W)となります．式3を変形してP_Wを求めると，式4になり，図5の定数を代入すると，94nsとなります．

・・・・・・・・・・(4)

●パルス・ストレッチャの検証
　図6は，LTC6752を使用したパルス・ストレッチャをシミュレーションする回路です．

図6　LTC6752を使用したパルス・ストレッチャをシミュレーションする回路
Vinはピーク電圧50mV，10nsのパルス波となっている．

　Vinは，ピーク電圧が50mV，10nsのパルス波です．図1のVthは，V_CCを抵抗分割したものに置き換えています．E点の電圧は式5になり，図1とほぼ同じ電圧になるようにしています．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　図7は，図6のシミュレーション結果です．図7の上段が入力信号(V(in))で，図7の中段が出力(V(out))です．V(in))の立ち上がりに合わせてV(out)が立ち上がり，そのパルス幅は約100nsとなっています．

図7　LTC6752を使用したパルス・ストレッチャのシミュレーション結果
出力パルス幅は約100nsとなっている．

　図7の下段が，B点の電圧(V(b))とC点の電圧(V(c))です．V(out)の立ち上がりに合わせてB点の電圧が立ち上がり，C点の電圧が上昇を始めています．C点の電圧がB点の電圧と等しくなったとき，V(out)が立ち下がっています．
　以上，高速コンパレータを使用したパルス・ストレッチャについて解説しました．LTC6752のデータシートには，同相信号除去型ライン・レシーバなど，色々な高速コンパレータの応用回路が紹介されていますので，参考にしてください．

◆参考・引用*文献
(1)LTC6752データシート(P23，図12パルス・ストレッチャ回路)：アナログデバイセズ

■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．
LTspice11_037.zip

●データ・ファイル内容
LTC6752_hys.asc:図2の回路
LTC6752_hys.plt：図3のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LTC6752_PS.asc:図2の回路
LTC6752_PS.plt：図3のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル