峰值檢測電路分析

1、峰值檢測電路（二）1基本的峰值檢測電路本實驗以峰值檢測器為例, 說明可利用反饋環(huán)改進(jìn)非線性的方法。峰值檢測器是用來檢測交流電壓峰值的電路, 最簡單的峰值檢測器依據(jù)半波整流原理構(gòu)成電路。如實圖4.1所示, 交流電源在正半周的一段時間內(nèi), 通過二極管對電容充電, 使電容上的電壓逐漸趨近于峰值電壓。只要 RC 足夠大，可以認(rèn)為其輸出的直流電壓數(shù)值上十分接近于交流電壓的峰值。 圖4.1 簡單峰值檢測電路  這種簡單電路的工作過程是, 在交流電壓的每一周期中, 可分為電容充電和放電兩個過程。在交流電壓的作用下, 在正半周的峰值附近一段時間內(nèi), 通過二極管對電容 C 充電，而在其它時段電容 C

2、上的電壓將對電阻 R 放電。當(dāng)然，當(dāng)外界交流電壓剛接上時，需要經(jīng)歷多個周期, 多次充電, 才能使輸出電壓接近峰值。但是, 困難在于二極管是非線性元(器)件, 它的特性曲線如實圖4.2所示。當(dāng)交流電壓較小時，檢測得的直流電壓往往偏離其峰值較多。 圖4.2 二極管特性曲線這里的泄放電阻R，是指與 C 并聯(lián)的電阻、下一級的輸入電阻、二極管的反向漏電阻、以及電容及電路板的漏電等效電阻。不難想到, 放電是不能完全避免的。同時, 適當(dāng)?shù)姆烹娨彩潜匾摹Ｌ貏e是當(dāng)輸入電壓變小時, 通過放電才能使輸出電壓再次對應(yīng)于輸入電壓的峰值。實際上, 檢測器的輸出電壓大小與峰值電壓的差別與泄放電流有關(guān)。僅當(dāng)泄放電

3、流可不計時, 輸出電壓才可認(rèn)為是輸入電壓的峰值。用于檢測儀器中的峰值檢測器要求有較高的精度。檢測儀器通常 R 值很大，且允許當(dāng)輸入交流電壓取去后可有較長的時間檢波輸出才恢復(fù)到零?？梢杂幂^小的電容，從而使峰值電壓建立的時間較短。本實驗的目的, 在于研究如何用運算放大器改進(jìn)峰值檢測器, 進(jìn)一步了解運算放大器之應(yīng)用。2峰值檢測電路的改進(jìn) 為了避免次級輸入電阻的影響, 可在檢測器的輸出端加一級跟隨器(高輸入阻抗)作為隔離級(實圖4.3)。圖 4.3 峰值檢測器改進(jìn)電路（一）也可以按需要加一可調(diào)的泄放電阻。如果允許電路有很長的放電時間, 也可以不用外加泄放電阻。這種電路可以有效地隔離次級的影響

4、, 且跟隨器的輸出電壓(Vo)可視為與電容上的電壓相等。電路中的二極管, 僅在 Vi-Vo > 0 時才導(dǎo)通, 使電容C充電。這時, 二極管上的電壓為(Vi-Vo)。為使在(Vi-Vo)很小時也能有足夠的充電速度, 可將(Vi-Vo)經(jīng)過放大, 再作用于二極管。按照這一設(shè)想, 可在檢測器前加一級比較放大器(實圖4.4)。 圖4.4 峰值檢測器改進(jìn)電路（二）在分析時常認(rèn)為運算放大器失偏電壓為理想值 0V。比較放大器是開環(huán)的差動放大器,它可以有很高的增益, 只要 Vi 略大于 Vo, 就可以輸出很大的電壓驅(qū)動 D1 對電容充電。例如運算放大器的增益為 100dB量級, 只需 Vi

5、比 Vo 大 0.02mV, 就可以輸出 2V 的正向電壓，顯然, 加速了電容的充電過程，直至使 Vo 等于 Vi 的峰值為止因為二極管D1導(dǎo)通之后，第一級運放又構(gòu)成了電壓跟隨器。實際工作中, 決定 Vo 與 Vi 有差別的一個重要因素, 將是放大器輸入端的失調(diào)電壓。當(dāng)然, 放大器也應(yīng)有足夠的帶寬，以適應(yīng)要求檢測的交流電壓的頻率范圍。  在 Vi-Vo < 0 時, 比較放大器的輸出電壓接近于負(fù)電源電壓, 使 D1 上有較大的反向電壓, D1 就會有一定的反向泄漏電流。為抑制 D1 的反向電流, 應(yīng)使 D1 的正極在反向時的電壓, 只略低于 Vo。為此, 在比較放大器(A2)與

6、 D1 之間增設(shè)二極管 D2 和電阻 R2 (實圖4.5)。 圖4.5 峰值檢測器改進(jìn)電路（三） 在 Vi > Vo 時, A2 輸出較大的正向電壓, 使 D2 與 D1 導(dǎo)通對電容充電。在 Vi < Vo 時, A2 輸出的反向電壓使 D2 關(guān)斷。這時, D2 的負(fù)極(D1 的正極)通過 R2 聯(lián)于 A1 的輸出端, 使 R2 一端的電壓(對地)為 Vo。如圖所示, 流過 D2 的反向電流通過 R2, 因而使 D2 的負(fù)極(D1 的正極)上和電容上的電壓得以保持。 通常 R2 為數(shù)百kW的電阻, 例如在實圖4.5中 R2 為 560kW。若 D2 的

7、反向電流為 0.2mA, 則 R2 上的電壓為 0.11V, 即 D1 上的反向電壓為 0.11V。由此可見, D2 和 R2 有效的抑制了D1的反向電流, 其作用相當(dāng)于增大了檢測電路的泄放電阻。 還需注意, D2 還有極間電容 C2, 它與 R2 組成阻容耦合電路。以上的分析略去了 C2 的作用,實際上是假定輸入信號的頻率滿足：W << 1/(R2C2) (4.1)  因此, 除了選用級間電容較小的二極管之外, 還應(yīng)參照上式選擇 R2。 實圖4.5是改進(jìn)的峰值檢測器的原理圖。該電路還有一個實際問題。在輸入信號的每周期的大部分時間中處于 Vi <

8、 Vo 的狀態(tài), 因而 A2 輸出端的電壓幾乎等于負(fù)電源電壓, A2 的中間級和輸出級的某些管子, 必處于深飽和和深截止?fàn)顟B(tài)。僅當(dāng) Vi 在峰值附近的一小段時間中, A2 才可能在線性區(qū)中, A2 的某些管子應(yīng)從深飽和狀態(tài)(或深截止?fàn)顟B(tài))轉(zhuǎn)向線性區(qū)(放大區(qū))中的狀態(tài)。管子的這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要經(jīng)歷一段時間才能完成。這種效應(yīng)限制了輸入信號頻率, 亦即限制了檢測速度。 為了改善電路的速度, 用非線性元(器)件 D3, 將比較放大器組成非線性反饋的放大器(實圖4.6a)。在 Vi > Vo 時，Vo2 高于 Vo, D3 處于反偏置狀態(tài)(不導(dǎo)通)，A2 仍可視為無反饋的高增益電路; 在

9、 Vi < Vo 時，Vo2 低于 Vo, D3 處于正偏置狀態(tài)(導(dǎo)通)呈現(xiàn)為低阻抗, A2 可視為有強反饋的低增益放大器。若 D3 的正向等效電阻為 RD3, 在 rD3 << R3 時, 只要 R3 充分大，保持 Vo 值變化較小，對于輸入信號來說, 該電路相當(dāng)于有偏置的跟隨器(實圖4.6b)。含有非線性元件的運放分析圖4.6 提高峰值檢測器充電速度的原理圖   若 rD3 可不計則輸出電壓為：Vo2 Vi -Vo 因為此時運放是一個帶偏置的電壓跟隨器- VD3 (4.2)  Vo2 的最低值為 Vo2min  -2VP - VD3

10、    (4.3) 式中 Vp 是輸入電壓 Vi 的峰值。在設(shè)計電路時, 若使 Vi 的最大峰值小于 A2 的負(fù)向擺幅之半，則 A2 就可以保持在線性區(qū)工作。當(dāng)然，D3的 反向電阻應(yīng)盡可能大，以保證 Vo2 為正值時不致通過 D3 泄漏至 Vo。 綜上所述, 較完善的峰值檢測器電路如實圖4.7所示。   圖4.7 峰值檢測器改進(jìn)電路（四）  參數(shù)選擇： 按照上面的分析, R3 應(yīng)滿足： RD3 >> R3 >> rD3 (4.4) RD3 是 D3 的反向等效電阻。因 rD3