超音波距離計 第二回:受信回路の過渡解析


LTspiceで、次のような超音波受信回路のシミュレーションを行います。






ただし、コンデンサC1に並列に挿入されている抵抗R12、コンデンサC2に並列に挿入されている抵抗R13の二つの抵抗はLTspice上でエラーが出ないようにするために挿入したものです。実際の回路では挿入しません。

回路図中のsinと書いてある部分は、片振幅1mVで40kHzの正弦波です。受信用超音波素子の出力をモデル化したものです。






最初に、上の回路図中赤のラインで囲まれた部分について考えます。
グラフはsin信号源より開始50us後から10サイクルの正弦波を入力したときのもので、黄緑のラインがOPアンプU1によって構成される1段目の増幅器の出力AMP1の電圧波形、青のラインがU2による2段目の増幅器の出力AMP2の電圧波形です。

1段目の増幅回路に関しては、U1、R1、R2、そして非反転入力端子に加えられた直流バイアス電圧refだけをみると、これは40dB(100倍)の反転増幅回路です。同様に2段目も20dB(10倍)の反転増幅回路になります。
コンデンサC1、C2は直流カット用のコンデンサとみることも出来ますし、ここまでを含めてハイパスフィルタとみなすことも出来ます。

出力の波形を見ると、青のラインは黄緑のラインをバイアス点である約2.5Vを中心に-10倍したものであることが分かります。
出力の中心がバイアス点から少しずれているのは、OPアンプの入力オフセット電圧の影響です。






次に、回路図中の黄色のラインで囲まれた部分について考えます。C3は直流成分をカットし、D1により信号のレベルシフトが行われます。グラフ中の赤のラインV(d1out)が回路中のノードD1outの電圧波形になりますが、これは、青のラインV(amp2)の波形の振幅をそのままに、中心をシフトさせたものになっています。

D1outの電位が0Vを下回るとD1を通じてGNDから電流が流れ込むので、D1outの最低電位は0Vになります。
理想的には0Vより下の電圧は発生してほしくないところですが、ダイオードの順方向電圧降下Vf分のアンダーシュートが発生しています。したがって、ここに利用するダイオードはVfの小さい小信号用ショットキー・バリアダイオードを利用します。






さらに、回路図中のの紫のラインで囲まれた部分まで、範囲を広げて考えて見ます。
V(d1out)まででレベルシフトされた波形が、ダイオードD2とコンデンサC4によって整流されています。抵抗R11はコンデンサC4の放電用に挿入したものですが、実際にはダイオードやコンデンサの漏れ電流のほうがはるかに大きいようです。したがってR11は実際の回路には(ついでに言うとシミュレータ上でさえ)必要ありません。






最後に、回路図の茶色のラインで囲まれた部分まで拡張して考えます。単純な反転コンパレータ回路となります。
コンパレータU3の反転入力端子には前述のV(d2out)が入力されます。非反転入力端子に入力される比較電圧は、抵抗分圧によって生成されたV(comp)です。これらを比較した出力がV(logic)です。



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