レシオ検波の改良

何年か前にトランジスタ技術誌に投稿したことがあるネタですがここに再掲します。
トラ技の記事はそれなりにカシコマッテ書いたので式を使って回路を解析したうえに、どこか符号かなんかが間違っていたような気がします。ここはブログだから気楽に書けますし、何年分かの歳の功で、よりうまい説明ができる気がします。

レシオ検波って終わったの?
FM検波には実にいろんな方式があります。スロープ検波に始まって、遅延検波、フォスターシーレー検波器、レシオ検波、パルスカウンティング検波、PLL検波、DSPによる複素クワドラチャ検波(という呼称が正しいかどうか知りませんが)などときりがないほどあります。FM検波ではほかにも面白い話ができるのですが、脱線を修正して、今回はレシオ検波のことです。

レシオ検波は古いRCAの特許らしいです。フォスターシーレー検波を改良したもので、AM成分を抑圧する能力があるのが特徴といわれていますが、やってみるとそれほどでもありません。それでもフォスターシーレーよりも回路が整理されていて対称性がよく、素質が良さそうです。

レシオ検波は真空管時代から1980年代前半までよく使われたようです。中学生のころに持っていたラジカセを後年開けてみたらレシオ検波でした。その後は廃れましたが、IC化に馴染まなかったためだと思います。しかし、セラミックシスクリミネータという一種のセラミック振動子を使ってクワドラチャ検波(直交検波)するICがあるくらいなので、外付け部品が必要だからといって必ずしも今日的でないとも言い切れません。

そのころはまだ子供だったのでよくは知りませんが、たぶんレシオ検波に使われている複雑なトランスが理解しにいし作りにくいし、ちゃんと調節するのも難しいため、レシオ検波は理屈ほどうまく動作しないじゃん、代わりがあるならもう使わなくていいんじゃないの、みたいな空気があったんじゃないかと思います。裏を返せば、必ずちゃんと動作するように改良できれば、レシオ検波は捨てたもんじゃないと思います。半導体はダイオード2個でいいんですから。

改良型レシオ検波
改良型レシオ検波の一例を示します。
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複雑なトランスがありません。この回路はすばらしく対称性の高い周波数-出力電圧特性を示します。
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従来のレシオ検波の動作原理
改良型の説明の前に従来型の動作を見てみましょう。下の図は従来のレシオ検波の回路図です。
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入力RF信号V0はコイルL0に印加されます。コンデンサC0はFM信号の中心周波数においてL0と共振するように選ぶことで、RF信号源から見た検波器の誘導性のインピーダンスを相殺するものですが、レシオ検波の動作を理解するうえではあまり重要ではありません。

コイルL1L2L0と誘導結合しています。L2-C2のタンク回路はFM信号の中心周波数に共振するようになっていて、L2に誘導される電圧V2は中心周波数においてV0より90度遅れになっています。一方、L1に誘導される電圧V1V0と同位相です。どういう条件の時にそうなるかについては後で議論します。

これらの電圧の和と差はそれぞれダイオードD1D2によって振幅検波され、それらの振幅の差が検波出力になります。

RF周波数が中心よりずれるとV2の位相が変化するため、V1+V2V1-V2の絶対値に違いが生じ、その違いによって検波出力電圧がシフトします。
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周波数シフトがさらに大きくなるとV2の振幅が小さくなるため、、V1+V2V1-V2の大きさの差が小さくなり、検波出力はふたたびゼロに近づきます。その結果、レシオ検波の周波数-出力電圧特性は「Sカーブ」を描きます。中心周波数における、V1V2の位相差が90度より小さい場合、下の図に示すようにSカーブの対称性が悪化します。
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コンデンサC4L2-C2のタンク回路の負荷電流を振幅変化に合わせて自動調節することでAM成分を抑圧するといわれていますが、検波動作には直接関係しません。

ここでは計算式は示しませんが、V2V0と直行する条件は、L0L2の結合が非常に疎結合であることです。反対に、、V1V0と同位相になるための条件は、L0L1の結合が非常に密で、負荷が電力をほとんど消費しないことです。

これを満たすトランスを作るのは容易なことではありません。その条件を緩和するためだと思いますが、密結合と疎結合の二つのトランスに分割するということも行われていたようです。30年前の松下のラジカセのレシオ検波に使われていたトランスがそうなっていたようです。直方体のシールドケースが2個溶接されたようなやつが入っていました。こんなトランスが必要なのでは、とてもアマチュアには無理だ、と諦めそうになりますが、あのトランスってそんなに凄いのでしょうか。

改良型レシオ検波の原理
そこまでするんだったら、L2のセンタータップをRF入力に直結してしまえば、密結合の方のトランスをまるまる廃止できるのではないでしょうか。次の図を見てください。
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L2のセンタータップをRF入力に直結したうえでV0と同位相のフローティングの信号源を用意できたとすれば、(a)に示すように
新たなインダクタンスLLを介してL2に接続することで90度遅れの電圧を印加することができます。ただし、LLはとても高いインダクタンスでなければならず、したがって信号源の振幅も大きい必要があります。

(b)このインダクタンスと信号源をL2の隣接するタップのペアに接続することで、インダクタンスと信号源振幅の大きさはずっと小さくて済むようになります。

(c)タップのペアはどれでもいいのですが、センタータップとその隣のタップを選ぶと、フローティング信号源を省くことができます。

(d)さらに、反対側のタップにコンデンサを付けることで、Sカーブの対称性を改善し、RF入力から見たときの検波器の誘導性を打ち消すことができます。

改良型レシオ検波と従来型との残る違いは、従来型では振幅検波回路の負荷抵抗の中点が接地され、平滑コンデンサの中点から出力が出ているのに対し、改良型は反対になっている点です。これはこっちのほうがわかりやすいと鳩歩堂が思ったからというだけで、従来型と同じ接続にしてもかまいません。

まとめ
改良型レシオ検波は400kHz程度から1GHz程度の周波数で動作することを確認しています。高い周波数ではトロイダルコアでなく空心コイルでも作れました。特殊な材料を使わずにどんな中心周波数にも簡単にチューンすることができるという実装上の利点もさることながら、理論的にも従来型よりも完成度が上がっていると思います。40年以上前に発明していたらQhodo detectorとか呼ばれていた?かも。

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この記事へのコメント

kon
2010年11月28日 11:03
こん**は
記事を読ませていただきました。そこで質問です。初歩的なことで強縮です。初心者ということで お教えいただけばと思います。

記事で...
ここでは計算式は示しませんが、V2がV0と直行する条件は、L0とL2の結合が非常に疎結合であることです。反対に、、V1がV0と同位相になるための条件は、L0とL1の結合が非常に密で、負荷が電力をほとんど消費しないことです。

と ありますが なぜ 祖結合だとVoとV2が直交するのか また密結合だと同位相になるのでしょうか?

お時間のある時にお教えいただければと思います。

ここでは計算式は示しませんが、V2がV0と直行する条件は、L0とL2の結合が非常に疎結合であることです。反対に、、V1がV0と同位相になるための条件は、L0とL1の結合が非常に密で、負荷が電力をほとんど消費しないことです。

2010年11月29日 00:43
ご質問ありがとうございます。コメントでお答えするのは難しいので新しい記事にしました。ご覧下さい。
 粗結合でないと直交しないというのはトラ技の記事を書いたときには確認したと思うのですが、ブログに書いたときにちゃんと計算で確認したかどうか不安になってきました。今日計算してみたら間違ってはいませんでした。
kon
2010年11月29日 21:47
お忙しい中 私のような者の質問に丁寧にお答えいただき恐縮です。これから 読ませていただきます。ありがとうございます。

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  • QHODO検波を実用に

    Excerpt: レシオ検波の改良という持ちネタがあるのですが、図々しくQhodoDetectorと名付けてみます。今回これをある研究に使うFM検波装置として製作しました。 Weblog: 鳩歩堂の電子工作館 racked: 2011-12-23 13:31