nabeの雑記帳

※この記事で解説していることは半分誤っています。ダイオードの特性よりもオペアンプのスルーレートが問題であり、FETでバッファすることはスルーレート改善に効果的です。

ピーク検出回路などではダイオードが整流のために使われます。実際のダイオードは理想的ではないため簡単には行きません。100kHz の sin波 を検出することを考えてみます。

• 1 単純なピーク検出回路
• 2 典型的なピーク検出回路
• 3 理想的ではないダイオードのリカバリ特性とは？
• 4 解決策は？
• 5 FETバッファ付ピーク検出回路

1 単純なピーク検出回路

まずは誰もが思いつく簡単なピークホールド回路です。回路図中のRは放電用抵抗です。CRで時定数となりますが100kΩ～1MΩ、Cは0.01uF～1uFなどを使用します。例えば、100kΩ、0.01uFならば時定数は100k*0.01u=1msとなります。

「入力電圧＞出力電圧」（コンデンサに充電されている電圧）のとき、ダイオードの電流が流れコンデンサが充電され「入力電圧＝出力電圧」となるとダイオードがオフになって最大電圧を計ることができるという回路です。

この回路がうまく行かないことは多くの人が気づくと思います。ダイオードには順方向電圧というものがあり、約0.7Vの電圧降下が起こります。逆に言えば「入力電圧＞出力電圧+0.7V」でないとダイオードに電流が流れませんので、0.7Vより小さな信号のピークを計測することができません。

またダイオードには電流によって順方向電圧が非線形に変化する特性がありますので、これもまた正確な測定には向きません（下図は1N4188の電流電圧特性）。

2 典型的なピーク検出回路

ダイオードの順方向電圧や非線形特性の問題をクリアするための典型的なピーク検出回路です。FET入力のオペアンプ（コンパレータでも可）を使用します。*1

出力電圧より入力電圧が高い場合、電圧差に関わらずオペアンプは+V（電源）に近い電圧を出し続けますので勢いよくコンデンサが充電されます。そして入力電圧より出力電圧が高くなれば、オペアンプは-Vを出力しダイオードに電流が遮断さることによって、ピーク時の電圧がコンデンサにより保持されます。

実際この回路は機能的に動きます。オペアンプ LF356N、C＝0.33uF、R=220kΩ、D=1S1588（小信号高速スイッチング用）、電源±15Vで実際に出力電圧を計測してみましょう。DCは直流、sinは0-p電圧です。

DCならばきちんと計れていますが、100kHzのsin波はまともに計測できているとは言い難い状況です。200mV以下のsin波に至っては全く計測できないことになります。

3 理想的ではないダイオードのリカバリ特性とは？

DCだと計測できるのに、高々100kHzのsin波だとまともに計測できない。しかもDCの方は線形な変化をするのに対し、sin波の方は非線形な入出力特性を持っています。一体何が起こっているのでしょうか？

ダイオードにはリカバリー特性というものがあります。PN接合面がONになった状態から、逆電圧が掛かりダイオードがOFFになるまでの時間のことをリカバリタイムと言います。詳細はリンク先を参照して頂きたいのですが、PN半導体に存在する電子やホールが移動することによってダイオードはオフになります。実はこの移動時間というのは速くありません。それは電子などの信号の伝達時間と違い、物理的な移動時間だからです。

よって、入力電圧が現在の保持電圧を下回ってもすぐにはオフにならず、せっかく溜まっていた電荷が-Vにめがけて流れ出してしまいます。よって電圧が下がってしまうのです。微小信号では、コンデンサにたまる電荷 Q=CV の V が少ないので素早く放電されてしまうどころか、マイナスの電荷をため込んでしまうというわけです（電源電圧 -V=-15V は、充電されている電圧 100mV などに比べ非常に大きいため簡単に流れ出します）。

一般に、周波数が高ければ高いほど、検出電圧が低ければ低いほど、その測定は困難になります。

4 解決策は？

まず思いつくのがダイオードをFRD（ファーストリカバリダイオード）やSBD（ショットキーバリアダイオード）などのリカバリ時間短いものに変更することでしょう。

試しにSBDで実験すると、まともに計測できなくなりました。SBDの特性として忘れてはいけなのは漏れ電流が大きいことです。漏れ電流によりそのまま放電されるため整流（波形整形）すらできなくなり、sin波がほぼそのまま出力されます。そもそも小信号高速スイッチング用である1S1588の逆回復時間は4ns程度でして、FRDよりよっぽど速いくらいです*2。

そもそもの問題はダイオードの前に -V が出力されてしまうことで、この部分をクリアすれば（完全には解決しないにしろ）かなり良くなるだろうと考えました。

5 FETバッファ付ピーク検出回路

負電圧-Vを出力せず、FETでスイッチしてしまうという回路です。+Vとハイインピーダンス出力になります。実際にはわずかに電圧がゲートからドレイン側に漏れるため、すこしだけ電位が下がってしまいます。

FETの代わりにバイポーラトランジスタを使うことはできません。2SC1815で試しましたがほとんど改善しませんでした。考えてみれば単純な話で、バイポーラトランジスタのベースエミッタ間は単なるダイオードですから、結局同じ問題に当たるわけです。

計測結果をここに示します。その他条件は上と一緒です。

小さい電圧も検出できるようになりましたが、結局ダイオード等の非線形性からは逃れられず、入出力電圧が非線形になっています*3。とりあえず、この値をADCで取り込んで非線形補正をかけることにしました。

ネットを調べていると、こちらのダイオードを使わないピーク検出回路が良さそうな感じです。コンパレータがないためLF356N+2SC1815で同じ動作の回路*4をつくって検証したところ上の表「ダイオードなし回路」のようになりました。ほとんど線形で、かなり特性が良いです*5。

以前作成したNJM2073ヘッドホンアンプがあまりにもダメダメなので（その割に高価な部品が載っていて勿体ないので）、回路を分解してLM4880で作り直してみました。

※どうせ作るなら、部品点数が少なく音質が優れたLM4880-DC直結版をお勧めします。

LM4880

LM4880（LM4881含む）はナショナルセミコンダクターのポータブルプレイヤー向けアンプICです。外部部品が非常に少なく自作には扱いやすいICです。仕様外（保証外）ですが、単３電池２本で動作します。

マルツパーツ館で姉妹品のLM4881が、ネットではエリスショップなどで販売しています。DIPパッケージとSOP（1.27mmピッチ）のパッケージがありますが今回は後者を利用し、秋月の変換基盤を使ってDIP相当として使用しました。

回路図

仕様書の回路図そのままです。

• Ci, Co はカップリングコンです。
  • Ciと入力抵抗の関係で低域の周波数特性が決まります。Ｆ特を稼ぐために、入力抵抗を大きくし過ぎるとノイズを拾いやすくなります。
  • 音質を優先するならば、Ciにはフィルムコンを使うといいです。例えば千石で売っている3.3uF程度のフィルムコンがやすくて良いと思います。
• CBは中点電圧安定化のためのコンデンサです。仕様書では1uFです。小さいと低音が出にくくなります。あまり大きくすると、ウォームアップに時間がかかります。
• 5ピンはシャットダウン用端子です。VCCに繋ぐとシャットダウンできます。特にこの機能を使わない場合は必ずGNDにつないでください。*1

実装について

仕様では電源として2.7～5.5Vとなっていますが、単３×２で使用しています。色々調べてみると、2.2Vが最低動作電圧で、2.1Vになると音が割れ気味、2.0Vでは全く動作しなくなりました。ニッケル水素電池×２でもだいたい駆動できます。

回路定数ですが、実際に作成するときは手持ちのオーディオ用抵抗の関係から「Ra=1k、Rf=2k」にしました*2。同じく手持ち部品の関係から、入力カップリングCiに「OS-CON 100uF」と出力カップリングCoに「OS-CON 470uF」を使いました。OS-CONはメーカー側でカップリングコンに使用出来ないと言われていますが、この程度の使い方ならば大きな問題はありません。（自己責任で）

なおカップリングコンに電解コンデンサを使う場合はオーディオ用コンデンサを使ってください。このアンプでは、カップリングコンの音がそのままストレートに出てきます。

またカップリングコンおよび中点保持用コンデンサとして電解コンデンサを使用する場合、電解コンデンサがハンダ熱によって失った性能を回復させるため、十分な電圧を加えて性能を回復させる必要があります。*3

電源にはジャンクPCから外した低ESRコンデンサ 6.3V 1000uFを６個使用しました。過去に何度も書いていることですが、電源のインピーダンスを下げることは音質面やノイズ抑制の意味で最重要です。最近はOS-CONやオーディオコンデンサが売られていますので、東信のUTSJやOS-CON 6.3V1500uF（千石で固体コンデンサとして売られてます。マルツならば2.5V2700uF）をお勧めします。

抵抗は好みに応じてオーディオ用などを用いるといいと思います。抵抗は２ピンにできるだけ近づけて配線してください。２ピンが一番ノイズを拾いやすいので、ここの配線を長くすることは音質的に不利です。

ボリュームも音質に影響するので、ミニデテントあたりを薦めておきます。（10KAΩを使用しました*4）

音質評価

クリアかつ明瞭でかなりの高音質です。ノイズも皆無で、NJM2073のノイズと戦っていたのがバカらしくなりました（汗）

カップリングコンの音がストレートに出てくるという印象があります。OSコンのクリアな音質です。カップリングコンにMuse KZを使った似た回路実装と比較させてもらいましたが、こちらはKZ特有の重い低音が鳴っていました。高域まで綺麗に伸びて、歪み感もなく、とても素直な音質です。

自作ヘッドホンアンプと比べると

• 超高域や音の立ち上がりがやや弱い（若干まるい）印象があります。
• 出力カップリングコンがあるから仕方ないのですが、低音の立ち下がり特性が悪いです（いわゆの低音しまりが弱い）。
• カップリングコンの色づけが出ます。*5
• 全体に明るい（軽快な）感じの鳴りです。
• A500では気付かなかったのですが、（より高能率のヘッドホンで聴くと）わずかにホワイトノイズがあるそうです。

自作ヘッドホンアンプはこちらです。

消費電力測定

だいたいの数値です。続いて、インピーダンス34Ωのイヤホンに繋いだ場合の電流。平均電流ですので、瞬間最大ではこの何倍か行くと思います。

まとめ

ポータブルプレイヤー向けに作られているだけあり、低価格ながら扱いも簡単で高音質です。１～２万ぐらいのオーディオカード付属ヘッドホン端子*6よりいい音がします。

組み立ても簡単ですし自作初心者向けに丁度良いと思うのですが、問題はチップの入手性でしょうか。そのうち秋葉原の店舗で扱ってくれそうですけどね。（希望的観測）

電池動作機器を設計するのに、電池の情報がなかなか纏まっておらず集めてみました。実際に測定したわけではなく、ネット上の情報を適当にかき集めただけですので、あくまで参考程度でお願いします。

より正しい値や、他の情報がありましたらお知らせください。