峰值檢測(cè)電路總匯

峰值檢測(cè)1峰值檢測(cè)電路〔PKD，PeakDetector〕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)峰值并沒有必然聯(lián)系；其次，實(shí)際應(yīng)用中這類芯片太貴了。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，方波等?！脖疚膮⒓恿薚I公司的博文比賽，覺得還行的話，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，PeakDetector〕〔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。如下列圖〔TINATI7.0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TINATI進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證會(huì)節(jié)省很多時(shí)間。通過簡(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后到達(dá)穩(wěn)定的峰值，誤差達(dá)10%。而且，由于沒有輸入輸出的緩沖，在實(shí)際應(yīng)用中，電容器中的電荷會(huì)被其他局部電路負(fù)載消耗，造成峰值檢測(cè)器無(wú)法保持信號(hào)峰值電壓。既然要改良，首先要分析缺乏。上圖檢測(cè)的誤差主要來(lái)自與二極管的正向?qū)妷航担虼宋覀兛梢杂媚ｋ姇险f的“超級(jí)二極管〞代替簡(jiǎn)單二極管〔TINATI7.0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程中，為了閉合有二極管的負(fù)反應(yīng)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二極管〕。這個(gè)過程需要花費(fèi)時(shí)間，如果在這個(gè)過程，輸入發(fā)生變化，輸出就會(huì)出現(xiàn)失真。因此，我們需要在電路中參加防止負(fù)飽和的措施，也就是說，我們輸入局部的處理環(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)典的電路是通過在輸入和輸出間增加一個(gè)二極管，這有點(diǎn)類似于電壓鉗位〔TINATI7.0繪制〕：經(jīng)過以上的簡(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)位開關(guān)〔這局部非必須，如：如果電容值選取適宜，兩次采樣時(shí)間間隔較大〕。三、幾種峰值檢測(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)誤差可到達(dá)3%以內(nèi)，后文中3.2的曲線圖能較有代表性地反映這類峰值檢測(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：

TINATI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！；〔2〕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)格比擬高，詳見。3.2無(wú)二極管型無(wú)Z該圖作者使用TINATI7.0和Multisim10.1均未仿真成功，但電路應(yīng)該是沒有問題的，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未能仿真成功，Mutisim10.1仿真成功：性能如下：3.3集成峰值檢測(cè)電路

ADI公司有一款集成的PKD——PKD01，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，作者見過FPGA+DAC+高速比擬器組成的峰值檢測(cè)器，原理很簡(jiǎn)單，就是將DAC輸出和輸入信號(hào)作比擬，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)DAC電壓輸出控制和比擬器輸出檢測(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，2006[2]

華成英，童詩(shī)白．模擬電子技術(shù)根底(第四版)．北京：高等教育出版社，2006[3]

德州儀器公司(中國(guó))官方網(wǎng)站學(xué)習(xí)資源[4]

Inexpensivepeakdetectorrequiresfewcomponents．AnthonyHSmith[5]

DesignwithOperationalAmplifiersandAnalogIntegratedCircuits．Franco,Sergio

峰值檢測(cè)電路〔二〕1．根本的峰值檢測(cè)電路本實(shí)驗(yàn)以峰值檢測(cè)器為例,說明可利用反應(yīng)環(huán)改良非線性的方法。峰值檢測(cè)器是用來(lái)檢測(cè)交流電壓峰值的電路,最簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)器依據(jù)半波整流原理構(gòu)成電路。如實(shí)圖4.1所示,交流電源在正半周的一段時(shí)間內(nèi),通過二極管對(duì)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(jiǎn)單峰值檢測(cè)電路這種簡(jiǎn)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(gè)過程。在交流電壓的作用下,在正半周的峰值附近一段時(shí)間內(nèi),通過二極管對(duì)電容C充電，而在其它時(shí)段電容C上的電壓將對(duì)電阻R放電。當(dāng)然，當(dāng)外界交流電壓剛接上時(shí)，需要經(jīng)歷多個(gè)周期,屢次充電,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(shí)圖4.2所示。當(dāng)交流電壓較小時(shí)，檢測(cè)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(jí)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,放電是不能完全防止的。同時(shí),適當(dāng)?shù)姆烹娨彩潜匾?。特別是當(dāng)輸入電壓變小時(shí),通過放電才能使輸出電壓再次對(duì)應(yīng)于輸入電壓的峰值。實(shí)際上,檢測(cè)器的輸出電壓大小與峰值電壓的差異與泄放電流有關(guān)。僅當(dāng)泄放電流可不計(jì)時(shí),輸出電壓才可認(rèn)為是輸入電壓的峰值。用于檢測(cè)儀器中的峰值檢測(cè)器要求有較高的精度。檢測(cè)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(zhǎng)的時(shí)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(shí)間較短。本實(shí)驗(yàn)的目的,在于研究如何用運(yùn)算放大器改良峰值檢測(cè)器,進(jìn)一步了解運(yùn)算放大器之應(yīng)用。2．峰值檢測(cè)電路的改良為了防止次級(jí)輸入電阻的影響,可在檢測(cè)器的輸出端加一級(jí)跟隨器(高輸入阻抗)作為隔離級(jí)(實(shí)圖4.3)。圖4.3峰值檢測(cè)器改良電路〔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(zhǎng)的放電時(shí)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(jí)的影響,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(shí)才導(dǎo)通,使電容C充電。這時(shí),二極管上的電壓為(Vi-Vo)。為使在(Vi-Vo)很小時(shí)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(cè)器前加一級(jí)比擬放大器(實(shí)圖4.4)。圖4.4峰值檢測(cè)器改良電路〔二〕在分析時(shí)常認(rèn)為運(yùn)算放大器失偏電壓為理想值0V。比擬放大器是開環(huán)的差動(dòng)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(dòng)D1對(duì)電容充電。例如運(yùn)算放大器的增益為100dB量級(jí),只需Vi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?yàn)槎O管D1導(dǎo)通之后，第一級(jí)運(yùn)放又構(gòu)成了電壓跟隨器。。實(shí)際工作中,決定Vo與Vi有差異的一個(gè)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(cè)的交流電壓的頻率范圍。因?yàn)槎O管D1導(dǎo)通之后，第一級(jí)運(yùn)放又構(gòu)成了電壓跟隨器。在Vi-Vo<0時(shí),比擬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(huì)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(shí)的電壓,只略低于Vo。為此,在比擬放大器(A2)與D1之間增設(shè)二極管D2和電阻R2(實(shí)圖4.5)。圖4.5峰值檢測(cè)器改良電路〔三〕在Vi>Vo時(shí),A2輸出較大的正向電壓,使D2與D1導(dǎo)通對(duì)電容充電。在Vi<Vo時(shí),A2輸出的反向電壓使D2關(guān)斷。這時(shí),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(duì)地)為Vo。如下圖,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(shí)圖4.5中R2為560kW。假設(shè)D2的反向電流為0.2mA,那么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(cè)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(shí)際上是假定輸入信號(hào)的頻率滿足：W<<1/(R2C2)(4.1)因此,除了選用級(jí)間電容較小的二極管之外,還應(yīng)參照上式選擇R2。實(shí)圖4.5是改良的峰值檢測(cè)器的原理圖。該電路還有一個(gè)實(shí)際問題。在輸入信號(hào)的每周期的大局部時(shí)間中處于Vi<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(jí)和輸出級(jí)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(shí)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(shí)間才能完成。這種效應(yīng)限制了輸入信號(hào)頻率,亦即限制了檢測(cè)速度。為了改善電路的速度,用非線性元(器)件D3,將比擬放大器組成非線性反應(yīng)的放大器(實(shí)圖4.6a)。在Vi>Vo時(shí)，Vo2高于Vo,D3處于反偏置狀態(tài)(不導(dǎo)通)，A2仍可視為無(wú)反應(yīng)的高增益電路;在Vi<Vo時(shí)，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(qiáng)反應(yīng)的低增益放大器。假設(shè)D3的正向等效電阻為RD3,在rD3<<R3時(shí),只要R3充分大，保持Vo值變化較小，對(duì)于輸入信號(hào)來(lái)說,該電路相當(dāng)于有偏置的跟隨器(實(shí)圖4.6b)。含有非線性元件的運(yùn)放分析含有非線性元件的運(yùn)放分析圖4.6提頂峰值檢測(cè)器充電速度的原理圖假設(shè)rD3可不計(jì)那么輸出電壓為：Vo2≌Vi-Vo因?yàn)榇藭r(shí)運(yùn)放是一個(gè)帶偏置的電壓跟隨器-VD3(4.2)因?yàn)榇藭r(shí)運(yùn)放是一個(gè)帶偏置的電壓跟隨器

Vo2的最低值為Vo2min

≌-2VP-VD3

(4.3)式中Vp是輸入電壓Vi的峰值。在設(shè)計(jì)電路時(shí),假設(shè)使Vi的最大峰值小于A2的負(fù)向擺幅之半，那么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(shí)不致通過D3泄漏至Vo。綜上所述,較完善的峰