オペアンプでのオーディオ低域絶対値を得るには

質問

オペアンプを使っていろいろ実験をしています。
オーディオ信号の３００Hz以下の信号を取り出して、その絶対値を得ようと考えています。

電源は乾電池２本～３本を予定していますので３V～４．５Vの単一電源となります。
出力は０V～３V程度までフルスイングさせたいと思います。　入力をVRで調整します。

単純に単一電源のオペアンプを使用して、半端整流　兼　ローパスフィルタを作って
その後ろに増幅回路を設定しましたが、　なかなか思うとおりにいきません。

皆さんならどの様な構成にしますでしょうか？　オペアンプは単一低電圧駆動かつ入手しやすい（安価な）LM358Nを選びました。　

ちなみに添付画像のような回路構成を試した所、一応動くことは動くのですが、波形は汚いし、ちゃんと絶対値を得られていません。　

あとできるだけ電源変動に強い回路構成にしたいと思います。

ヒントでも頂けると助かります。

回答No.8

xpopo

バイアス電圧を基準に振れている半波整流出力をOPアンプとNPNトランジスタ
を使ったV-I変換回路で電流に変換し、その電流をPNPトランジスタのカレント
ミラーで折り返して抵抗に流して、GND基準で振れる電圧に変換する回路を
考えてみました。回路とシミュレーション結果を添付します。

　尚、OPアンプはNJU7044Dに変更し、バイアス電圧は１．２Vに変更してあります。

お礼

すごい！！！！　実はバイアス中心で振れる信号をどうやってGND基準に直そうかとまさに考えていた所です。　　V-I変換からカンレントミラーですか。　なるほどこういう手がありましたか。　でもかなり回路が複雑になってしまいました。　7044は４回路ですので、できれば４回路以内に押さえたいと思います。　　又オーディオ信号はRとLがあるのでその合成にも加算回路を使おうかなとも考えています。　しかしLTSpiceは面白いですね、7044のモデリングを導入できなくて苦戦していますが、簡単にTR増幅のシュミレーションなどできてかなり楽しいです。　半田ごて好きの実践波なので食わず嫌いでしたが、これは価値がありますね。

回答No.7

xpopo

LM358はナショナルセミコンダクター社の下記URL

http://www.national.com/JS/searchDocument.do?textfield=SPICE+MACRO+MODEL+LM358&x=9&y=5

NJU7044DはNJRC社の下記URL

https://semicon.njr.co.jp/njr/customer/macroModelDetail.do

よりそれぞれダウンロード可能です。

お礼

ありがとうございました。　　本当に助かりました。　
LTSpiceでのシュミレーションがとても参考になりました。

回答No.6

xpopo

NO.3の回答の続き。

図－4を添付します。

補足

本当に詳しい説明どうもありがとうございます。　大感謝です。　そもそも低電圧でLM358を選択したことに無理がありますね。　　この回路の出力はPICのA/Dコンバーターに入力されます。　PICのGNDとこの回路のGNDが共通ですので、オーディオ低周波の信を全波、もしくは半波整流して０～４V程度まで振らせてA/Dコンバーターに入力させるつもりでした。　もう少々、実験を重ねてみます。

ところでLTSpiceのLM358Nパラメータはどこから手に入りますか？　LM358の代わりにNJU7044Dというレールtoレールのオペアンプを使ってみようかと思いますが、このパラメータがあれば教えて頂けませんでしょうか。

よろしくお願いします。

回答No.5

xpopo

NO.3の回答の続き。

図－3を添付します。

回答No.4

xpopo

NO.３の回答続き。

図－２を添付します。

回答No.3

xpopo

皆さんが指摘されてるようにooo0659さんの回路は単電源で動作しない、プラスマイナス両電源
でないと正常に動作しない回路になっています。

　そのため、「半波整流　兼　ローパスフィルタ」とおっしゃってる回路は何となくそれらしく
動いてしまってると考えられます。この回路は単なる2次のアクティブ・ローパスフィルタです。
動作は添付の図－１に示したような波形になるので半波整流されてるように見えてしまいます。
実際は入力信号がGNDを中心に振れてますのでこの回路の出力（V(n003)で示されている青い色
の波形）はマイナスにも振れなければならないのですがOPアンプの電源にマイナスの電圧が供給
されていませんのでGND以下の電圧は全てGNDに張り付いてしまってます。

　それから、LM358Nの特性なんですが、最高出力はプラス側の供給電圧から－１V程度までしか
出せません。また、出力が下がってマイナスの供給電圧より0.7V以内に入ると電圧を下げる能力
が激減して、約50uA程度の定電流でOPアンプ側へ引き込む能力しかなくなってしまいます。

　単電源動作、この場合電池で3.0～4.5Vと低い電圧で使用するためにはOPアンプのDC動作点を
GNDとOPアンプが出力できる最大電圧のちょうど真ん中の電圧に設定します。
この場合は電池の最小電圧３Vから－１Ｖした２ＶがOPアンプが出力できる最大電圧になりますので
その半分の１Ｖに設定します。この電圧はＯＰアンプと抵抗の分圧によって図-2に示すような回路
（次の投稿で図を示します）で作ります。

　半波整流回路は別途追加が必要ですが半波整流回路を追加する前にOPアンプのバイアス電圧
を１Vで作った回路と動作波形を図-３（次の次の投稿で示します）に示します。フィルタ出力
V（filt_out）と最終出力V(out)などがバイアス電圧V(v_bias)（１V）を中心に振れている様子が
分かると思います。この場合、信号源の周波数は300Hzで振幅を10mVから200mVまで20mV刻みで
振ってシミュレーションしてます。

　最後に、半波整流回路を追加した場合の波形と回路を図－4（最後の投稿ね添付します。）
に示します。黄色の線の波形が半波整流回路の出力ですが波高値が約1.9Vで頭打ち担ってます
がこれは整流用ダイオードの順方向電圧降下VFによるものです。

回答No.2

tadys

回路図に電源回路が含まれていませんね。
どんなオペアンプを使っても電源を超える電圧の出力は得られません。
電源が単一ならば負の出力電圧は得られません。
両電源で使用してください。

細かい事を言えば、初段のLPFのカットオフ周波数はボリュウムの位置で変化してしまいます。
ボリュウムの抵抗値を100Ω以下とかの小さな値にすれば影響を小さく出来ます。
そうでなければLPFの前にバッファ用のアンプを入れるのが良いです。
周波数を気にしないのであればどうでも良いのですが。

単電源のオペアンプを使った絶対値回路として下記のようなものが有ります。
http://www.eleki-jack.com/KitsandKids2/2008/06/417.html
ただし、質問の回路のLPF部分を単電源で動作させるには
LPF部分のグランドを電源電圧の半分程度にバイアスする必要が有ります。

電源変動については特別に厳しい要求でなければ気にしなくて良いでしょう。

回答No.1

MOMON12345

絶対値を得るという事は、両波整流するのでしょうか？
これはOPアンプで理想ダイオードを作りますが、片電源では動作しません。
なぜなら反転アンプを使う必要があるからです。

またご質問者様の回路を正しく動作させるためには、GND記号の所をVcc/2でバイアスすればいいと思います。
入力が普通の交流波形だと仮定すると(コンデンサでカップリングされているので)ゼロボルトをセンタに振れているわけですからOPアンプは両極性で動作する必要があります。
しかし単一電源であれば当然負電圧には反応出来ず、波形は歪みます。