峰值檢測(cè)電路總匯

1、峰值檢測(cè)1峰值檢測(cè)電路（PKD,PeakDetectoD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。（本文參加了TI公司的博文比賽，覺(jué)得還行

2、的話，希望大家?guī)晚斠幌隆⒒貜?fù)一個(gè)，謝謝大家，我會(huì)更努力的：-）:、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(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（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(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

3、器，100ms后達(dá)到穩(wěn)定的峰值，誤差達(dá)10%0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（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(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

4、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)類似于電壓鉗位（TINATI7.0繪制）：5G00CW15&依jUm帕經(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、幾種峰值檢測(cè)電路采用二極管和電容器

5、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。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：NOTE:(1)Re-versepolarityfornegativepeakdetectionOutputlOIODuV/szgTINATI的仿真結(jié)果如下:200i幽雌的MV7WC

6、WV1即Ti閡值得一提的是，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)格比較高，詳見(jiàn)http:無(wú)二極管型Input2kn-wvYCC+=15VFigure24,Positive-PeakDetector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(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)

7、）提供了一種非常棒的性能如下:15該圖作者用TINA未能仿真成功，Mutisim10.1仿真成功:XSC1性能如下: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)。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In

8、expensivepeakdetectorrequiresfewcomponentsAnthonyHSmithDesignwithOperationalAmplifiersandAnalogIntegratedCircuits.Franco,Sergio峰值檢測(cè)電路（二）http:0397.html1.基本的峰值檢測(cè)電路本實(shí)驗(yàn)以峰值檢測(cè)器為例，說(shuō)明可利用反饋環(huán)改進(jìn)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(guò)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

9、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(guò)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(guò)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(guò)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，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(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

10、想到，放電是不能完全避免的。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(guò)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別與泄放電流有關(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)算放大器改進(jìn)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)電路的改進(jìn)為了避免次級(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

11、離級(jí)（實(shí)圖4.3）。圖4.3峰值檢測(cè)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(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(guò)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)比較放大器(實(shí)圖4.4)oA2千C圖4.4峰值檢測(cè)器改進(jìn)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。比較放大器是開(kāi)環(huán)的差動(dòng)放大器，它可以有

12、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(guò)程，直至使Vo等于Vi的峰值為止。實(shí)際工作中，決定Vo與Vi有差別的一個(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。在Vi-Vo<0時(shí)，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(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，在比較放大器（A2）與D1之間增設(shè)二極管D

13、2和電阻R2（實(shí)圖4.5）。A2C2圖4.5峰值檢測(cè)器改進(jìn)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(guò)R2聯(lián)于A1的輸出端，使R2一端的電壓（對(duì)地）為Vo。如圖所示，流過(guò)D2的反向電流通過(guò)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。若D2的反向電流為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(jiàn)，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

14、路的泄放電阻。還需注意，D2還有極問(wèn)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是改進(jìn)的峰值檢測(cè)器的原理圖。該電路還有一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。在輸入信號(hào)的每周期的大部分時(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

15、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,將比較放大器組成非線性反饋的放大器（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)反饋的高增益電路；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)反饋的低增益放大器。若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(shuō)，該電路相當(dāng)于有偏置的跟隨器（實(shí)圖4.6b）。r-MRD3R3SR3M圖4.6提高峰值檢測(cè)器充電速度的原理圖若rD3可不計(jì)則輸出電壓為：Vo2*Vi-Vo-Vd3(4.2)Vo2的最低值為Vo2minW-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)，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(shí)不致通過(guò)D3泄漏至Vo。綜上所述