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最实用较深刻的峰值检测电路实例与分析


史上最实用较深刻的峰值检测电路实例与分析 TINA7 OPA128OPA131TL372 | 2009-01-23 作者:billyevans EDN 博客精华文章 作者:billyevans

史上最实用较深刻的峰值检测电路实例与分析

一、前言
峰值检测电路(PKD,Peak Detector)的作用是对输入信号的峰值进行提取, 产生输出 Vo = Vpeak,为了实现这样的目标,电路输出值会一直保持,直到一 个新的更大的峰值出现或电路复位。 峰值检测电路在 AGC(自动增益控制)电路和传感器最值求取电路中广泛 应用,自己平时一般作为程控增益放大器倍数选择的判断依据。有的同学喜欢用 AD637 等有效值芯片作为程控增益放大器的判据,主要是因为集成的方便,但 个人认为是不合理的,因为有效值和信号的正负峰值并没有必然联系;其次,实 际应用中这类芯片太贵了。当然,像电子设计竞赛是可以的,因为测试信号总是 正弦波,方波等。(本文参加了 TI 公司的博文比赛,觉得还行的话,希望大家 帮顶一下、回复一个,谢谢大家,我会更努力的:-)

二、峰值检测电路原理
顾名思义,峰值检测器(PKD,Peak Detector)(本文默认以正峰值检测为 例)就是要对信号的峰值 进行采集并保持。其效果如下如(MS 画图工具绘制):

根据这样的要求,我们可以用一个二极管和电容器组成最简单的峰值检测 器。如下图(TINA TI 7.0 绘制): 这时候我们可以选择用面包板搭一个电路,接上信号源示波器观察结果,但 在这之前利用仿真软件 TINA TI 进行简单验证会节省很多时间。通过简单仿真 (输入正弦信号 5kHz,2Vpp),我们发现仅仅一个二极管和电容器组成的峰值检 测器可以工作,但性能并不是很理想,对 1nF 的电容器,100ms 后达到稳定的峰 值,误差达 10%。而且,由于没有输入输出的缓冲,在实际应用中,电容器中的 电荷会被其他部分电路负载消耗,造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。

既然要改进,首先要分析不足。上图检测的误差主要来自与二极管的正向导 通电压降,因此我们可以用模电书上说的“超级二极管”代替简单二极管(TINA TI 7.0 绘制):

从仿真结果来看,同等测试条件下,检测误差大大减小。但我们知道,超级 二极管有一个缺点,就是 Vi 从负电压变成正电压的过程中,为了闭合有二极管 的负反馈回路,运放要结束负饱和状态,输出电压要从负饱和电压值一直到 (Vi+V 二极管)。这个过程需要花费时间,如果在这个过程,输入发生变化,输出 就会出现失真。 因此,我们需要在电路中加入防止负饱和的措施,也就是说,我们输入部分 的处理环节要能够尽量跟随输入信号的电压,并提供一个尽可能理想的二极管, 同时能够提供有效的输入缓冲。 一个经典的电路是通过在输入和输出间增加一个 二极管,这有点类似于电压钳位(TINA TI 7.0 绘制):

经过以上的简单描述,其实我们已经可以将峰值检测器分成几个模块:(1) 模拟峰值存储器,即电容器;(2)单向电流开关,即二极管;(3)输入输出缓 冲隔离,即运算放大器;(4)电容放电复位开关(这部分非必须,如:如果电 容值选取合适,两次采样时间间隔较大)。

三、几种峰值检测电路
采用二极管和电容器组成的峰值检测电路有多种实现方式和电路形式,在 TI 等公司的一下文献中,我们可以查到不少。就自己个人实验的结果而言,二 极管、 电容、 放大器组成的峰值检测器有效工作频率范围在 500kHz 一下, 100m 对 Vpp 以上的输入信号检测误差可达到 3%以内,后文中 3.2 的曲线图能较有代表 性地反映这类峰值检测器的性能。
3.1 分立二极管电容型

TI 公司的 Difet 静电计级运算放大器 OPA128 的 DATASHEET 里提供了一 个很好用的峰值检测器:

TINA TI 的仿真结果如下:

值得一提的是,该图有几个用心之处:(1)采用 FET 运放提高直流特性, 减小偏置电流 OPA128 的偏置电流低至 75fA!;(2)将场效应管当二极管用,可
以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力;(3)小电容应该是防止自激的。 实际应用中可以用 TL082 双运放和 1N4148 来代替场效应管,性能价格比较高,详见 http://blog.ednchina.com/billyevans/193257/message.aspx。 3.2 无二极管型

无二极管型是利用比较器输出的开集 BJT 或者开漏 MOSFET 代替二极管, 进一步提高性价比, 公司的 LM311 的 DATASHEET 提供了一个非常简单的峰 TI 值检测器电路:

该图作者使用 TINA TI 7.0 和 Multisim10.1 均未仿真成功,但电路应该是没 有问题的,只是性能得看实验。

重点一提的是 EDN 英文版上有篇文章(见参考文献)提供了一种非常棒的 PKD:

性能如下:

该图作者用 TINA 未能仿真成功,Mutisi m10.1 仿真成功:

性能如下:

3.3 集成峰值检测电路

ADI 公司有一款集成的 PKD——PKD01, 本质也是二极管加电容的结构, 性 能不详。

四、其他结构峰值检测电路
在高速的环境下,二极管和电容结构的电路就无法适应了,作者见过 FPGA+DAC+高速比较器组成的峰值检测器,原理很简单,就是将 DAC 输出和 输入信号作比较,FPGA 负责 DAC 电压输出控制和比较器输出检测。

五、参考文献
[1] [2] [3] [4] [5]

瞿安连.应用电子技术.科学技术出版社,2006 华成英, 童诗白. 模拟电子技术基础(第四版). 北京: 高等教育出版社, 2006 德州仪器公司(中国)官方网站学习资源
Inexpensive peak detector requires few components.Anthony H Smith Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits.Franco,

Sergio


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