【オペアンプ】ピークホールドはピーク検出とサンプルホールドの応用

組み込みエンジニア

こんにちは、ENGかぴです。

ピークホールド回路はピーク検出回路とサンプルホールド回路を組み合わせることで構成できます。正弦波のピークを保持しながら出力できるためAC電圧からDC電圧への変換などに使用されまが、サンプルや放電するタイミングを生成する仕組みが必要です。

オペアンプを使ったピークホールド回路と基礎であるピーク検出回路とサンプルホールド回路について特徴と用途をシミュレーションを交えて解説していきます。

下記リンクではオペアンプで押さえておきたい基本特性と基本回路や私が経験してきたオペアンプの応用回路に関するリンクをまとめています。

【オペアンプ】押さえておきたい4つ基本特性と3つの増幅回路

ルネサスエレクトロニクスのUPC258G2をもとにシミュレーションを行っています。また産業用の機器のアナログ回路を対象としており入力電圧の周波数は50Hz(60Hz)をベースにしています。

ピークホールド回路(ピーク検出+サンプルホールド)

ピーク検出+サンプルホールド回路(ピークホールド回路)
ピーク検出+サンプルホールド回路(ピークホールド回路)

ピーク検出回路とサンプルホールド回路を組み合わせることで入力波形のピーク値をホールドできるようになります。この回路はピークホールド回路といい、ピーク検出回路とサンプルホールド回路の特性をうまく組み合わせた特性が得られます。

用途は正弦波のピークが取れることからAC電圧からDC電圧への変換ができます。オペアンプにゲインを持たせることで入力電圧に対して増幅したDC電圧を得ることができます。

動作原理

ピークホールド回路の出力は以下の動きを繰り返すことで得られます。

  1. SW2をOFFしSW1をONすることでC1を放電する
  2. C1を放電後SW1をOFFしSW2をONすることでC1からC2に電荷を移す
  3. C2に電荷を移した後SW2をOFFしホールドした電圧が出力する
  4. 正弦波が0点を通過すると1.に戻って繰り返す

C1を放電するのは入力波形のピーク値が一定とは限らないため放電することでピーク値を更新できるようにするためです。

C1とC2の関係はC1>C2とすると応答性が良くなり、C2>C1とした場合は電荷の移動の回数が増えるためピーク値に達するまでの時間が必要になりますが、ピーク電圧が増えた回数分だけ平滑化されるためフィルタのように作用します。

サンプルするタイミングは正弦波のゼロ点を通過するタイミングが判定しやすいためコンパレータなどでサンプルのタイミングを作りマイコンと同期して放電とサンプルの期間を制御してSW1とSW2を操作すると楽に制御できます。

シミュレーション

ピークホールド回路のシミュレーション

IN2の電圧は入力電圧に対してピーク検出した電圧となりpulse2がONしている区間でC4の電荷をC2に移しています。

C2に電荷を移した後はpulseとpulse2はともにOFFになるためC2にホールドした電圧が出力となります。初期段階でピークとなっていないのはC2への電荷の移動が不完全であったためです。C2を大きくするとピーク値に達する時間が長くなります。

正弦波のゼロ点でIN2の波形がpulseがONしている区間で低下しているのはC4を放電しているためです。出力電圧を調整したい場合は後段のオペアンプのボルテージフォロワを非反転増幅回路としてゲインを持たせるとよいでしょう。

ピーク検出回路

ピーク検出はパルスなどの波形を幅広く保持するために使用されます。正弦波のピークを保持して検出する用途にも使用されることもありピークディテクタ、パルスストレッチャとも呼ばれています。

動作原理と注意事項

ピーク検出回路の説明図

ピーク検出回路の特徴:

  • パルスなどの細い入力を保持することができる。
  • ゲインを持たせることが可能
  • 実用的なゲインは0.1<A<10
  • 負荷の影響を受けやすくピーク電圧の調整が難しい

用途:波形のピークを長時間保持する回路、アナライザ

注意事項は保持用コンデンサによる発振の可能性とパルス幅に依存するためスルーレートの影響を受けないようにすることです。

ピーク検出回路は半波整流回路からダイオードを1本取り外して出力側にコンデンサを実装した構造です。半波整流回路については下記リンクで説明しています。

【オペアンプ】差動増幅器と絶対値回路(加算+半波整流)の特徴と用途

半波整流によって波形が正側に表れているものをコンデンサにチャージすることで出力を保持するためピーク電圧が出力されます。

ピーク検出回路で求められる性能は入力パルスの幅に依存します。入力パルスがピーク電圧になるまでにリンギングやオーバーシュートなしにアンプの低出力インピーダンスで保持用のコンデンサCをチャージする必要があります。

保持用のコンデンサCはチャージ時間の問題や発振する問題もあるため大きくできません。

入力パルスが終わってしまうまでにコンデンサにチャージできなかったりすることでオペアンプの出力が立ち上がれなかった場合はピーク検出回路としての役割を果たすことができなくなるためオペアンプはパルスの幅に合うスルーレートのもので出力電流の大きなものを選定する必要があります。

p-p検出する場合

正のピークと負のピークを検出する回路
正のピークと負のピークを検出する回路

ピーク検出回路を応用すると正のピークと負のピークを検出できるようになります。前段のピーク検出回路で正のピークを検出しておき、正のピークを反転するイメージで加算回路として反転増幅回路を追加します。

反転増幅回路を入れるので正のピークが負のピークになって出力されます。前段のピーク検出のみの場合負荷がないので出力電圧がそのまま保持されますが、後段に非反転増幅回路を加算回路として追加しているのでインピーダンスがR1になります。

R1が低いとCが放電されるためピーク電圧が低下してしまう可能性があります。

対策としてはR1の抵抗値を大きくすることやCの容量を大きくすることも有効ですが、ピーク検出の応答性かCRの時定数に関係するため遅くなるので注意が必要です。

シミュレーション

ピーク検出回路のシミュレーション
ピーク検出回路のシミュレーション

ピーク検出回路をシミュレーションすると非反転型(左側)においてはピーク電圧が維持できていますが、反転型(右側)の結果を見ると抵抗を介して電流が戻るため放電しピーク電圧が低下していることが分かります。

p-p検出回路のシミュレーション
p-p検出回路のシミュレーション

p-p検出回路について結果を見ると非反転型の出力も負荷としてR1の抵抗が接続されたことからCが放電された分だけピーク電圧が低下しています。

接続する負荷の影響を受けやすくCRの時定数によって応答性が変わるため値を大きくしすぎると周波数が高くなったときピークがつかめなくなることもあるため調整が難しいのが欠点です。

サンプルホールド回路

サンプルホールド回路
サンプルホールド回路

サンプルホールド回路はサンプルのトリガによるコンデンサCをチャージした分を切り離し、保持する(ホールド)することで電圧の低下を防ぎ出力できるのが特徴で、マイコンのAD変換の入力部に使用されています。

動作原理

ピーク検出回路では出力部にコンデンサを実装してチャージすることでピーク値を保持するようにしていましたが、サンプルホールド回路ではサンプル信号をONしたときのみコンデンサにチャージするようにします。

サンプル期間が過ぎるとスイッチを切り離してコンデンサにチャージした電圧が後段のオペアンプの入力となるためサンプル期間でチャージされた電圧(ホールド電圧)が出力されます。

前段のオペアンプの出力抵抗とコンデンサCによる位相差が気になる場合は入力部に抵抗とコンデンサを挿入することで打ち消すことができます。

サンプルホールド回路をピークホールド回路として使用したことがありますが位相差が気にならないため入力部に位相補償を挿入したことはありません。同期を正確に取りたい場合など用途に応じて挿入する程度で問題ないと思います。

シミュレーション

サンプルホールド回路のシミュレーション
サンプルホールド回路のシミュレーション

前段のオペアンプは非反転増幅でゲインを2倍にしています。前段のオペアンプの出力側にJFETを配置してゲートにサンプル用のパルス電圧を印加してコンデンサC2にチャージする回路です。

シミュレーション結果を見るとパルスがHの時にFETがONしてコンデンサC2にチャージして電圧を保持しサンプル期間が過ぎるとLになりFETがOFFしていることがわかります。

ホールド期間中の出力は一定の電圧になっておりサンプル期間中のみ値が更新されることが繰り返されるため凸凹な感じで出力されていることが分かります。

関連リンク

オペアンプはアナログ入力回路において主役と言っていいほど使用されるため資格試験においてもその特徴を問う問題が出題されます。下記リンクではオペアンプの基本特性と基本回路や私が経験してきたオペアンプの応用回路に関するリンクをまとめています。興味があればご覧ください。

【オペアンプ】押さえておきたい4つ基本特性と3つの増幅回路

【電気電子部門】技術士第一次試験のオペアンプ問題の解説

テックジム-将来のためにプログラミングを学ぶ

最後まで、読んでいただきありがとうございました。

タイトルとURLをコピーしました