史上最實(shí)用較深刻峰值檢測(cè)電路

1、史上最實(shí)用較深刻的峰值檢測(cè)電路實(shí)例與分析一、前言峰值檢測(cè)電路（PKD，Peak Detector）的作用是對(duì)輸入信號(hào)的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak，為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出值會(huì)一直保持，直到一個(gè)新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。峰值檢測(cè)電路在AGC（自動(dòng)增益控制）電路和傳感器最值求取電路中廣泛應(yīng)用，自己平時(shí)一般作為程控增益放大器倍數(shù)選擇的判斷依據(jù)。有的同學(xué)喜歡用AD637等有效值芯片作為程控增益放大器的判據(jù)，主要是因?yàn)榧傻姆奖?，但個(gè)人認(rèn)為是不合理的，因?yàn)橛行е岛托盘?hào)的正負(fù)峰值并沒(méi)有必然聯(lián)系；其次，實(shí)際應(yīng)用中這類(lèi)芯片太貴了。當(dāng)然，像電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是可以的，因?yàn)闇y(cè)試信號(hào)總是正弦波，方

2、波等。（本文參加了TI公司的博文比賽，覺(jué)得還行的話，希望大家?guī)晚斠幌?、回?fù)一個(gè)，謝謝大家，我會(huì)更努力的：-）二、峰值檢測(cè)電路原理顧名思義，峰值檢測(cè)器（PKD，Peak Detector）（本文默認(rèn)以正峰值檢測(cè)為例）就是要對(duì)信號(hào)的峰值 進(jìn)行采集并保持。其效果如下如（MS畫(huà)圖工具繪制）：根據(jù)這樣的要求，我們可以用一個(gè)二極管和電容器組成最簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)器。如下圖（TINA TI 7.0繪制）：這時(shí)候我們可以選擇用面包板搭一個(gè)電路，接上信號(hào)源示波器觀察結(jié)果，但在這之前利用仿真軟件TINA TI進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證會(huì)節(jié)省很多時(shí)間。通過(guò)簡(jiǎn)單仿真（輸入正弦信號(hào)5kHz,2Vpp），我們發(fā)現(xiàn)僅僅一個(gè)二極管和電容器組成

3、的峰值檢測(cè)器可以工作，但性能并不是很理想，對(duì)1nF的電容器，100ms后達(dá)到穩(wěn)定的峰值，誤差達(dá)10%。而且，由于沒(méi)有輸入輸出的緩沖，在實(shí)際應(yīng)用中，電容器中的電荷會(huì)被其他部分電路負(fù)載消耗，造成峰值檢測(cè)器無(wú)法保持信號(hào)峰值電壓。既然要改進(jìn)，首先要分析不足。上圖檢測(cè)的誤差主要來(lái)自與二極管的正向?qū)妷航?，因此我們可以用模電?shū)上說(shuō)的“超級(jí)二極管”代替簡(jiǎn)單二極管（TINA TI 7.0繪制）：從仿真結(jié)果來(lái)看，同等測(cè)試條件下，檢測(cè)誤差大大減小。但我們知道，超級(jí)二極管有一個(gè)缺點(diǎn)，就是Vi從負(fù)電壓變成正電壓的過(guò)程中，為了閉合有二極管的負(fù)反饋回路，運(yùn)放要結(jié)束負(fù)飽和狀態(tài)，輸出電壓要從負(fù)飽和電壓值一直到（Vi+V二極

4、管）。這個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)時(shí)間，如果在這個(gè)過(guò)程，輸入發(fā)生變化，輸出就會(huì)出現(xiàn)失真。因此，我們需要在電路中加入防止負(fù)飽和的措施，也就是說(shuō)，我們輸入部分的處理環(huán)節(jié)要能夠盡量跟隨輸入信號(hào)的電壓，并提供一個(gè)盡可能理想的二極管，同時(shí)能夠提供有效的輸入緩沖。一個(gè)經(jīng)典的電路是通過(guò)在輸入和輸出間增加一個(gè)二極管，這有點(diǎn)類(lèi)似于電壓鉗位（TINA TI 7.0繪制）：經(jīng)過(guò)以上的簡(jiǎn)單描述，其實(shí)我們已經(jīng)可以將峰值檢測(cè)器分成幾個(gè)模塊：（1）模擬峰值存儲(chǔ)器，即電容器；（2）單向電流開(kāi)關(guān)，即二極管；（3）輸入輸出緩沖隔離，即運(yùn)算放大器；（4）電容放電復(fù)位開(kāi)關(guān)（這部分非必須，如：如果電容值選取合適，兩次采樣時(shí)間間隔較大）。三、幾種峰

5、值檢測(cè)電路采用二極管和電容器組成的峰值檢測(cè)電路有多種實(shí)現(xiàn)方式和電路形式，在TI等公司的一下文獻(xiàn)中，我們可以查到不少。就自己個(gè)人實(shí)驗(yàn)的結(jié)果而言，二極管、電容、放大器組成的峰值檢測(cè)器有效工作頻率范圍在500kHz一下，對(duì)100mVpp以上的輸入信號(hào)檢測(cè)誤差可達(dá)到3%以?xún)?nèi)，后文中3.2的曲線圖能較有代表性地反映這類(lèi)峰值檢測(cè)器的性能。3.1 分立二極管電容型TI公司的Difet 靜電計(jì)級(jí)運(yùn)算放大器OPA128的DATASHEET里提供了一個(gè)很好用的峰值檢測(cè)器：TINA TI的仿真結(jié)果如下：值得一提的是，該圖有幾個(gè)用心之處：（1）采用FET運(yùn)放提高直流特性，減小偏置電流OPA128的偏置電流低至75fA

6、?。唬?）將場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)二極管用，可以有效減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)力；（3）小電容應(yīng)該是防止自激的。實(shí)際應(yīng)用中可以用TL082雙運(yùn)放和1N4148來(lái)代替場(chǎng)效應(yīng)管，性能價(jià)格比較高，詳見(jiàn) 3.2無(wú)二極管型 無(wú)二極管型是利用比較器輸出的開(kāi)集BJT或者開(kāi)漏MOSFET代替二極管，進(jìn)一步提高性?xún)r(jià)比，TI公司的LM311的DATASHEET提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)器電路：該圖作者使用TINA TI 7.0和Multisim10.1均未仿真成功，但電路應(yīng)該是沒(méi)有問(wèn)題的，只是性能得看實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)一提的是EDN英文版上有篇文章（見(jiàn)參考文獻(xiàn)）提供了一種非常棒的PKD：性能如下：該圖作者用TINA未

7、能仿真成功，Mutisi m10.1仿真成功：3.3集成峰值檢測(cè)電路ADI公司有一款集成的PKDPKD01，本質(zhì)也是二極管加電容的結(jié)構(gòu)，性能不詳。四、其他結(jié)構(gòu)峰值檢測(cè)電路在高速的環(huán)境下，二極管和電容結(jié)構(gòu)的電路就無(wú)法適應(yīng)了，作者見(jiàn)過(guò)FPGA+DAC+高速比較器組成的峰值檢測(cè)器，原理很簡(jiǎn)單，就是將DAC輸出和輸入信號(hào)作比較，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)DAC電壓輸出控制和比較器輸出檢測(cè)。五、參考文獻(xiàn)1 瞿安連應(yīng)用電子技術(shù)科學(xué)技術(shù)出版社，20062 華成英，童詩(shī)白模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)北京：高等教育出版社，20063 德州儀器公司(中國(guó))官方網(wǎng)站學(xué)習(xí)資源 4 Inexpensive peak detector

8、requires few componentsAnthony H Smith5 Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated CircuitsFranco, Sergio  峰值檢測(cè)電路作者記得模電課上老師說(shuō)過(guò)峰值檢測(cè)電路（PKD）的大致結(jié)構(gòu)，由二極管和低漏電容組成。在實(shí)際應(yīng)用中，PKD輸入輸出需要加緩沖，作者這部分的設(shè)計(jì)參考了AD公司OP177和TI公司OPA128的數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的電路圖：這兩種方案本質(zhì)上是一樣的思路，輸入為理想二極管接法，輸出為電壓跟隨器，特別的地方是采用場(chǎng)效應(yīng)管或晶體管代替二極管，這樣的好處是方向漏電流小，因?yàn)樗麄兊姆较蚵╇娏鞫荚趐A級(jí)別，而二極管方向漏電流是nA級(jí)的。另外，電容的選擇也尤為重要，低漏電流是首要考慮，作者手