JP2006033185A - ダイオード検波回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、閾値電圧の低い高価なダイオードを使用することなく、温度変動に対する安定性の高い高感度なダイオード検波回路を提供することを目的とする。
【解決手段】ダイオード検波回路は、入力電圧信号にバイアス電圧を加えた電圧を第１のダイオードにより整流検波して検波信号を出力する第１のダイオード検波ユニットと、バイアス電圧に応じた固定の電圧を第２のダイオードに入力して固定電圧信号を出力する第２のダイオード検波ユニットと、第１のダイオード検波ユニットと第２のダイオード検波ユニットとに接続され検波信号と固定電圧信号との差分に応じた出力を生成する検出ユニットを含むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に検波回路に関し、詳しくはダイオードを用いたダイオード検波回路に関する。

無線通信機においては、受信すべき特定周波数の電波が存在するか否かを判断して受信動作を開始するために、受信機によりその特定周波数の電波を検波する必要がある。近年の無線通信機にはより微弱な電波を検波する能力が要求されており、しかもそのような高感度の検波回路を低価格且つ低消費電力の回路で提供することが必要となる。

上記のような条件を満足する検波回路として、従来、ダイオード、抵抗、及び容量からなる半波整流型の検波回路が広く用いられている。この検波回路では、一般に、電圧信号の直流成分を容量結合によりカットしてから、ダイオードの順方向に電圧信号の電圧を印加する。電圧信号の電圧値がダイオードの閾値電圧を上回ると、ダイオードに電流が流れる。ダイオードの他端に接続された抵抗にこの電流を流すことで、電流信号を電圧信号に変換すると共に、抵抗に並列に接続された容量により電圧波形を平滑化する。

このようなダイオード検波回路において微弱な信号を感度良く検出するためには、閾値電圧の低いダイオードを使用する必要があるが、そのようなダイオードは高価であり、経済的な観点から好ましくない。そこで低価格なダイオード検波回路を実現するために、例えば、図１のような構成の回路が用いられる。

図１は、微弱な信号を感度良く検出するダイオード検波回路の構成を示す回路図である。図１のダイオード検波回路１０は、容量１１、インダクタ１２、ダイオード１３、容量１４、及び抵抗１５を含む。入力端ＩＮに入力された電圧信号は、容量１１による容量結合を介して、その直流成分がカットされる。直流成分がカットされた電圧信号はダイオード１３に順方向に印加される。その際に、ダイオード１３の入力端をインダクタ１２を介して所望の電圧Ｖｏｆｆｓｅｔに結合することで、高周波の電圧変動に対してはダイオード１３の入力端に比較的自由な電圧変動を許し、低周波の電圧変動に対してはダイオード１３の入力端を電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ付近に固定する。これにより、電圧信号に電圧Ｖｏｆｆｓｅｔのバイアスをかけることができる。電圧信号の電圧値がダイオード１３の閾値電圧を上回ると、ダイオードに電流が流れる。ダイオードの他端に接続された抵抗１５にこの電流を流すことで、電流信号を電圧信号に変換すると共に、抵抗１５に並列に接続された容量１４により電圧波形を平滑化する。これにより、出力端ＯＵＴには検波後の電圧が現れる。

図１の回路では、バイアス電圧を加えることにより、入力電圧波形の変化の中心点をダイオード１３の閾値電圧付近に位置させることができる。従って、閾値電圧の低い高価なダイオードを用いることなく、微弱な信号を感度良く検出することが可能になる。

しかしながらダイオードの閾値電圧には温度依存性がある。従って図１の回路において温度変動がある場合、ダイオード１３の閾値電圧が変動し、バイアス電圧により設定した入力電圧波形の変化の中心点が、ダイオード１３の閾値電圧からずれることになる。この場合、微弱な信号を感度良く検出することができなくなる。

ダイオード検波回路において、ダイオードの温度依存性の影響を受けないようにするための工夫として、例えば特許文献１に開示される構成がある。図２は、ダイオードの温度依存性の影響を受けないように構成されたダイオード検波回路の構成を示す回路図である（特許文献１）。

図２のダイオード検波回路２０は、ダイオード２１、抵抗２２、差動増幅器２３、ダイオード２４、及び抵抗２５を含む。入力端子ＩＮに入力された電圧信号はダイオード２１及び抵抗２２により整流検波されて、差動増幅器２３の非反転入力に印加される。差動増幅器２３の反転入力は抵抗２５を介してグラウンド電位に結合されると共に、差動増幅器２３の出力が、ダイオード２４を介したフィードバック経路により差動増幅器２３の反転入力に結合される。ここでダイオード２１とダイオード２４とは、同一特性のダイオードである。従って、差動増幅器２３の非反転入力に印加される電圧信号に現れるダイオード２１の閾値電圧の温度依存性は、差動増幅器２３の非反転入力に印加される信号に現れるダイオード２４の閾値電圧の温度依存性により相殺されることになる。これにより、ダイオードの温度依存性の影響を受けない検波が可能となる。
特開平７−１１１４２１号公報

図２に示す回路構成では、ダイオードの温度依存性の影響を受けない検波が可能となるが、ダイオードの入力側にバイアス電圧を加えることができないという問題がある。即ち、検波用のダイオード２１の入力側にバイアス電圧を加えるとすると、補償用のダイオード２４の入力側にも同一のバイアス電圧を加える必要があるが、ダイオード２４の入力側は差動増幅器２３の出力に接続されている。従って、バイアス電圧からの電流が差動増幅器２３の出力に流れ込んでしまい、適切なバイアス設定ができなくなる。この理由のために、図２に示す回路構成により微弱な信号を感度良く検出するためには、閾値電圧の低い高価なダイオードを用いる必要がある。

また一般にＩＣチップ内に閾値電圧の低いダイオードを形成することは困難であるために、ＩＣチップでダイオード検波回路を実現する場合には、ダイオードを個別部品で提供する等の対応が必要になってしまう。

以上を鑑みて本発明は、閾値電圧の低い高価なダイオードを使用することなく、温度変動に対する安定性の高い高感度なダイオード検波回路を提供することを目的とする。

本発明によるダイオード検波回路は、入力電圧信号にバイアス電圧を加えた電圧を第１のダイオードにより整流検波して検波信号を出力する第１のダイオード検波ユニットと、該バイアス電圧に応じた固定の電圧を第２のダイオードに入力して固定電圧信号を出力する第２のダイオード検波ユニットと、該第１のダイオード検波ユニットと該第２のダイオード検波ユニットとに接続され該検波信号と該固定電圧信号との差分に応じた出力を生成する検出ユニットを含むことを特徴とする。

本発明の少なくとも１つの実施例によれば、第１のダイオード検波ユニット及び第２のダイオード検波ユニットは、オフセット電圧を設定可能な構成となっており、第１のダイオード検波ユニット及び第２のダイオード検波ユニット内部のダイオードの閾値電圧を考慮して、このオフセット電圧が設定される。これにより、閾値電圧が低い高価なダイオードを用いることなく、微弱な信号を感度よく検出することが可能になる。また検出ユニットの２つの入力には、第１のダイオード検波ユニットの出力と第２のダイオード検波ユニットの出力とが供給されるので、検出ユニットにより２つの入力の差分に応じた出力を生成することで、ダイオードの温度依存性が相殺される。このようにしてダイオードの温度依存性を相殺しながら、高感度な検波が可能となる。

以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。

図３は、本発明によるダイオード検波回路の構成の概略を示す構成図である。図３のダイオード検波回路３０は、第１のダイオード検波ユニット３１、第２のダイオード検波ユニット３２、差動増幅器３３、及び容量３４及び３５を含む。なお容量３４及び３５は、第１のダイオード検波ユニット３１及び第２のダイオード検波ユニット３２にその一部としてそれぞれ含まれる構成としてもよい。

入力端ＩＮから入力された電圧信号は、その直流成分が容量３４によりカットされ、直流分がゼロの電圧信号として第１のダイオード検波ユニット３１に供給される。第１のダイオード検波ユニット３１は、半波整流型、両波整流型、ブリッジ整流型、両波倍電圧整流型等のダイオード検波回路であり、入力電圧を整流検波して検波後の電圧信号を差動増幅器３３の非反転入力に供給する。第２のダイオード検波ユニット３２の入力には、例えばグランド電圧等の固定の電圧が容量３５を介して供給される。第２のダイオード検波ユニット３２の出力電圧は、差動増幅器３３の反転入力に供給される。第１のダイオード検波ユニット３１と第２のダイオード検波ユニット３２とは、実質的に同一の構成及び特性を有する回路である。差動増幅器３３の出力は差動出力として示されるが、単相出力であってもよい。

第１のダイオード検波ユニット３１及び第２のダイオード検波ユニット３２は、オフセット電圧を設定可能な構成となっており、電圧Ｖｏｆｆｓｅｔがオフセット電圧として印加されている。第１のダイオード検波ユニット３１及び第２のダイオード検波ユニット３２内部のダイオードの閾値電圧を考慮して、このオフセット電圧は設定される。即ち、入力電圧信号の変化の中心点（直流分でありこの場合は直流分ゼロ）が、ダイオードの閾値電圧付近に位置されるようにオフセット電圧が設定される。これにより、閾値電圧が低い高価なダイオードを用いることなく、微弱な信号を感度よく検出することが可能になる。

また差動増幅器３３の非反転入力と反転入力とには、実質的に同一の構成及び特性を持つ第１のダイオード検波ユニット３１と第２のダイオード検波ユニット３２との出力が供給されるので、差動増幅器３３により非反転入力と反転入力との差分をとることによりダイオードの温度依存性が相殺される。このようにしてダイオードの温度依存性を相殺しつつ、差動増幅器３３は、第１のダイオード検波ユニット３１の出力である検波後の電圧信号と第２のダイオード検波ユニット３２の出力である固定の電圧値との差分を増幅する。これにより、ダイオードの温度依存性を相殺しながら高感度な検波が可能になる。

図４は、本発明によるダイオード検波回路の第１の実施例の構成を示す回路図である。図４のダイオード検波回路４０は、ダイオード４１、ダイオード４２、容量４３、容量４４、抵抗４５、抵抗４６、容量４７、容量４８、インダクタ４９、インダクタ５０、差動増幅器５１、及びコンパレータ５２を含む。差動増幅器５１は、抵抗５３及び５４、ＮＭＯＳトランジスタ５５及び５６、及び定電流源５７を含む。

ダイオード４１、容量４３、抵抗４５、及びインダクタ４９が第１のダイオード検波ユニット３１に相当し、ダイオード４２、容量４４、抵抗４６、及びインダクタ５０が第２のダイオード検波ユニット３２に相当する。図４に示される構成において、第１のダイオード検波ユニット３１及び第２のダイオード検波ユニット３２は、半波整流型のダイオード検波回路である。

入力端ＩＮから入力された電圧信号は、その直流成分が容量４７によりカットされ、直流分がゼロの電圧信号としてダイオード４１の順方向に印加される。その際に、ダイオード４１の入力端ＤＩをインダクタ４９を介して所望の電圧Ｖｏｆｆｓｅｔに結合することで、高周波の電圧変動に対してはダイオード４１の入力端ＤＩに比較的自由な電圧変動を許し、低周波の電圧変動に対してはダイオード４１の入力端ＤＩを電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ付近に固定する。これにより、電圧信号に電圧Ｖｏｆｆｓｅｔのバイアスをかけることができる。電圧信号の電圧値がダイオード４１の閾値電圧を上回ると、ダイオードに電流が流れる。ダイオード４１の他端ＤＯに接続された抵抗４５にこの電流を流すことで、電流信号を電圧信号に変換すると共に、抵抗４５に並列に接続された容量４３により電圧波形を平滑化する。これにより、ノードＡには検波後の電圧波形が現れる。この検波後の電圧信号を、差動増幅器５１の非反転入力（ＮＭＯＳトランジスタ５６のゲート端子）に供給する。

図５は、バイアス電圧印加の効果を説明するための図である。図５に示されるように、バイアス電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを加えることにより、入力端ＤＩの電圧の直流分は、ダイオードのＶ−Ｉ特性として示される曲線が立ち上がり始める部分（即ち閾値電圧の位置）に設定されることになる。この結果、入力端ＤＩの正電圧方向への電圧変動をダイオード４１により感度良く検出して、出力端ＤＯに大きな振幅の電流波形を得ることができる。

ダイオード４２には、例えばグランド電圧等の固定の電圧が容量４８を介して順方向に印加される。その際にダイオード４２の入力側を、インダクタ５０を介して所望の電圧Ｖｏｆｆｓｅｔに結合するよう構成する。ダイオード４２、容量４４、抵抗４６、及びインダクタ５０からなる第２のダイオード検波ユニットの出力電圧は、差動増幅器５１の反転入力（ＮＭＯＳトランジスタ５５のゲート端子）に供給される。

差動増幅器５１の非反転入力と反転入力とには、同一の構成で同一の特性を持つ２つのダイオード検波ユニットの出力が供給されるので、差動増幅器５１により非反転入力と反転入力との差分をとることによりダイオードの温度依存性が相殺される。このようにしてダイオードの温度依存性を相殺しつつ、差動増幅器５１は、検波後の電圧信号と固定の電圧値との差分を増幅する。これにより、ダイオードの温度依存性を相殺しながら高感度な検波が可能となる。図４の構成では、差動増幅器５１の差動出力をコンパレータ５２で比較することにより、ＨＩＧＨ又はＬＯＷの２値の検波出力を生成している。

図６は、温度依存性相殺の効果を説明するための図である。（ａ）には、図４の回路の入力端ＩＮに入力される電圧波形が示される。（ｂ）には、ノードＡ及びノードＢにおける電圧波形を示す。（ａ）に示されるように入力電圧信号の振幅が大きくなると、（ｂ）に示されるようにノードＡの電圧が増大する。ノードＢの電圧は一定値にとどまる。ここで温度変動がありダイオードの閾値電圧が変化すると、（ｂ）に示されるベース電圧Ｄが変化するが、この変化はノードＡ及びノードＢにおいて同一である。即ち、ノードＡのベース電圧とノードＢのベース電圧とは常に同一であり、両者に差が生じることはない。

（ｃ）には差動増幅器５１の差動出力Ｃ及びＸＣが示される。差動増幅器５１はノードＡの電圧とノードＢの電圧との差を増幅するので、（ｃ）に示されるような波形が差動出力として出力される。この際、（ｂ）に示されるベース電圧Ｄは差動増幅器５１の差分増幅動作により相殺されるので、ベース電圧Ｄが変化しても差動出力Ｃ及びＸＣは影響を受けることがない。（ｄ）にはコンパレータ５２の出力ＯＵＴが示される。コンパレータ５２は、差動増幅器５１の差動出力Ｃ及びＸＣの差が所定値以上になると、出力ＯＵＴをＨＩＧＨにする。

図７は、本発明によるダイオード検波回路の第２の実施例の構成を示す回路図である。図７において、図４と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。

図７のダイオード検波回路６０は、差動増幅器５１、コンパレータ５２、ダイオード６１乃至６４、容量６５、６６、抵抗６７、６８、容量６９乃至７２、トランス７３、及びインダクタ７４乃至７７を含む。ダイオード６１、６２、容量６５、抵抗６７、容量６９、７０、トランス７３、及びインダクタ７４、７５が第１のダイオード検波ユニットに相当し、ダイオード６３、６４、容量６６、抵抗６８、容量７１、７２、及びインダクタ７６、７７が第２のダイオード検波ユニットに相当する。図７に示される構成において、第１のダイオード検波ユニット及び第２のダイオード検波ユニットは、両波整流型のダイオード検波回路である。

入力端ＩＮに入力された電圧信号は、トランス７３により順極性の信号と逆極性の信号とに変換される。順極性の信号と逆極性の信号とは、それぞれ容量６９及び７０によりその直流成分がカットされ、直流分ゼロの電圧信号としてダイオード６１及び６２に順方向に印加される。ダイオード６１及び６２によりそれぞれの信号の半波整流が行われ、その後、半波整流後の信号が互いに重ね合わされる。これにより両波整流が実現される。半波整流が両波整流に置き換わった以外、ダイオード検波回路６０の動作は図４乃至図６に示されるダイオード検波回路４０の動作と同一である。

このように半波整流型のダイオード検波回路に限らず、両波整流型のダイオード検波回路にも本発明を適用することができる。またブリッジ整流型、両波倍電圧整流型等の検波回路であっても、ダイオード検波回路である限りは、本発明を同様に適用可能であることは明らかである。

図８は、図４に示すダイオード検波回路の変形例である。図８において、図４と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。

図８のダイオード検波回路４０Ａは、図４のダイオード検波回路４０から差動増幅器５１を取り除き、第１及び第２のダイオード検波ユニットの出力を直接コンパレータ５２に供給している。コンパレータ５２は第１のダイオード検波ユニットの出力である検波後の電圧信号と第２のダイオード検波ユニットの出力である固定の電圧値とを比較して、検波後の電圧信号が固定の電圧値よりも所定の電圧差以上大きくなると出力ＯＵＴをＨＩＧＨにする。従って、図８のように検波後の電圧信号と固定の電圧値とを直接コンパレータ５２に入力する構成としても、コンパレータ５２によりダイオードの電圧依存性を相殺する効果を得ることができる。

同様に、図７のダイオード検波回路６０から差動増幅器５１を取り除き、第１及び第２のダイオード検波ユニットの出力を直接コンパレータ５２に供給する構成としても、ダイオードの電圧依存性を相殺する効果を得ることができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

例えば上記実施例においては、ダイオード検波回路により、入力電圧信号の正方向の電圧変動を検波する構成を説明したが、入力電圧信号の負方向の電圧変動を検波する構成としても同様に本発明を適用することができる。また同様に、正方向の電圧変動と負方向の電圧変動を両方検波する構成であってもよい。

微弱な信号を感度良く検出するダイオード検波回路の構成を示す回路図である。 ダイオードの温度依存性の影響を受けないように構成されたダイオード検波回路の構成を示す回路図である。 本発明によるダイオード検波回路の構成の概略を示す構成図である。 本発明によるダイオード検波回路の第１の実施例の構成を示す回路図である。 バイアス電圧印加の効果を説明するための図である。 温度依存性相殺の効果を説明するための図である。 本発明によるダイオード検波回路の第２の実施例の構成を示す回路図である。 図４に示すダイオード検波回路の変形例である。

符号の説明

３０ ダイオード検波回路
３１ 第１のダイオード検波ユニット
３２ 第２のダイオード検波ユニット
３３ 差動増幅器
３４、３５ 容量

Claims (10)

1. 入力電圧信号にバイアス電圧を加えた電圧を第１のダイオードにより整流検波して検波信号を出力する第１のダイオード検波ユニットと、
   該バイアス電圧に応じた固定の電圧を第２のダイオードに入力して固定電圧信号を出力する第２のダイオード検波ユニットと、
   該第１のダイオード検波ユニットと該第２のダイオード検波ユニットとに接続され該検波信号と該固定電圧信号との差分に応じた出力を生成する検出ユニット
   を含むことを特徴とするダイオード検波回路。
2. 該検出ユニットは差動増幅回路であることを特徴とする請求項１記載のダイオード検波回路。
3. 該差動増幅回路の出力に接続されるコンパレータを更に含むことを特徴とする請求項２記載のダイオード検波回路。
4. 該検出ユニットはコンパレータであることを特徴とする請求項１記載のダイオード検波回路。
5. 該第１のダイオード検波ユニット及び該第２のダイオード検波ユニットは、半波整流型、両波整流型、ブリッジ整流型、及び両波倍電圧整流型のうちの何れか１つであることを特徴とする請求項１記載のダイオード検波回路。
6. 該第１のダイオード検波ユニット及び該第２のダイオード検波ユニットの各々は、
   入力端と、
   該入力端に一端が結合される容量と、
   該容量の他端に一端が結合される検波ダイオードと、
   該検波ダイオードの該一端と該バイアス電圧との間を結合するインダクタと、
   該検波ダイオードの他端に結合される抵抗と、
   該抵抗と並列に結合される容量
   を含むことを特徴とする請求項１記載のダイオード検波回路。
7. 該バイアス電圧は該検波ダイオードの閾値電圧に略等しいことを特徴とする請求項６記載のダイオード検波回路。
8. 該第１のダイオード検波ユニットの該入力端は該入力電圧信号を受け取る端子であることを特徴とする請求項６記載のダイオード検波回路。
9. 該第１のダイオード検波ユニットの該第１のダイオードと該第２のダイオード検波ユニットの該第２のダイオードとは実質的に同一の特性を有することを特徴とする請求項１記載のダイオード検波回路。
10. 該第１のダイオード検波ユニットと該第２のダイオード検波ユニットとは実質的に同一の構成を有することを特徴とする請求項１記載のダイオード検波回路。
    

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