峰值檢測電路總匯

1、峰值檢測1峰值檢測電路（PKD,PeakDetectoD的作用是對輸入信號的峰值進行提取，產(chǎn)生輸出Vo=Vpeak,為了實現(xiàn)這樣的目標，電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。峰值檢測電路在AGC（自動增益控制）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)，主要是因為集成的方便，但個人認為是不合理的，因為有效值和信號的正負峰值并沒有必然聯(lián)系；其次，實際應(yīng)用中這類芯片太貴了。當然，像電子設(shè)計競賽是可以的，因為測試信號總是正弦波，方波等。（本文參加了TI公司的博文比賽，覺得還行

2、的話，希望大家?guī)晚斠幌?、回?fù)一個，謝謝大家，我會更努力的：-）:、峰值檢測電路原理顧名思義，峰值檢測器（PKD,PeakDetector）（本文默認以正峰值檢測為例）就是要對信號的峰值進行采集并保持。其效果如下如（MS畫圖工具繪制）：根據(jù)這樣的要求，我們可以用一個二極管和電容器組成最簡單的峰值檢測器。如下圖（TINATI7.0繪制）：這時候我們可以選擇用面包板搭一個電路，接上信號源示波器觀察結(jié)果，但在這之前利用仿真軟件TINATI進行簡單驗證會節(jié)省很多時間。通過簡單仿真（輸入正弦信號5kHz,2Vpp）,我們發(fā)現(xiàn)僅僅一個二極管和電容器組成的峰值檢測器可以工作，但性能并不是很理想，對1nF的電容

3、器，100ms后達到穩(wěn)定的峰值，誤差達10%0而且，由于沒有輸入輸出的緩沖，在實際應(yīng)用中，電容器中的電荷會被其他部分電路負載消耗，造成峰值檢測器無法保持信號峰值電壓。既然要改進，首先要分析不足。上圖檢測的誤差主要來自與二極管的正向?qū)妷航?，因此我們可以用模電書上說的“超級二極管”代替簡單二極管（TINATI7.0繪制）：從仿真結(jié)果來看，同等測試條件下，檢測誤差大大減小。但我們知道，超級二極管有一個缺點，就是Vi從負電壓變成正電壓的過程中，為了閉合有二極管的負反饋回路，運放要結(jié)束負飽和狀態(tài)，輸出電壓要從負飽和電壓值一直到（Vi+V二極管）。這個過程需要花費時間，如果在這個過程，輸入發(fā)生變化，輸

4、出就會出現(xiàn)失真。因此，我們需要在電路中加入防止負飽和的措施，也就是說，我們輸入部分的處理環(huán)節(jié)要能夠盡量跟隨輸入信號的電壓，并提供一個盡可能理想的二極管，同時能夠提供有效的輸入緩沖。一個經(jīng)典的電路是通過在輸入和輸出間增加一個二極管，這有點類似于電壓鉗位（TINATI7.0繪制）：5G00CW15&依jUm帕經(jīng)過以上的簡單描述，其實我們已經(jīng)可以將峰值檢測器分成幾個模塊：（1）模擬峰值存儲器，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，即運算放大器；（4）電容放電復(fù)位開關(guān)（這部分非必須，如：如果電容值選取合適，兩次采樣時間間隔較大）。三、幾種峰值檢測電路采用二極管和電容器

5、組成的峰值檢測電路有多種實現(xiàn)方式和電路形式，在TI等公司的一下文獻中，我們可以查到不少。就自己個人實驗的結(jié)果而言，二極管、電容、放大器組成的峰值檢測器有效工作頻率范圍在500kHz一下，對100mVpp以上的輸入信號檢測誤差可達到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器的性能。分立二極管電容型TI公司的Difet靜電計級運算放大器OPA128的DATASHEET里提供了一個很好用的峰值檢測器：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，該圖有幾個用心之處：（1）采用FET運放提高直流特性，減小偏置電流OPA128的偏置電流低至75fA!;（2）將場效應(yīng)管當二極管用，可以有效減小反向電流同時增加第一個運放的輸出驅(qū)動力；（3）小電容應(yīng)該是防止自激的。實際應(yīng)用中可以用TL082雙運放和1N4148來代替場效應(yīng)管，性能價格比較高，詳見http:無二極管型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)該是沒有問題的，只是性能得看實驗。重點一提的是EDN英文版上有篇文章（見參考文獻

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)的電路就無法適應(yīng)了，作者見過FPGA+DAC+高速比較器組成的峰值檢測器，原理很簡單，就是將DAC輸出和輸入信號作比較，F(xiàn)PGA負責(zé)DAC電壓輸出控制和比較器輸出檢測。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）官方網(wǎng)站學(xué)習(xí)資源In

8、expensivepeakdetectorrequiresfewcomponentsAnthonyHSmithDesignwithOperationalAmplifiersandAnalogIntegratedCircuits.Franco,Sergio峰值檢測電路（二）http:0397.html1.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上的電壓將對電阻R放電。當然，當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

10、想到，放電是不能完全避免的。同時，適當?shù)姆烹娨彩潜匾摹Ｌ貏e是當輸入電壓變小時，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)。僅當泄放電流可不計時，輸出電壓才可認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峰值檢測器，進一步了解運算放大器之應(yīng)用。2.峰值檢測電路的改進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

11、離級（實圖4.3）。圖4.3峰值檢測器改進電路(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，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)oA2千C圖4.4峰值檢測器改進電路(二)在分析時常認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

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D1對電容充電。例如運算放大器的增益為100dB量級，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。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D1之間增設(shè)二極管D

13、2和電阻R2（實圖4.5）。A2C2圖4.5峰值檢測器改進電路（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，其作用相當于增大了檢測電

14、路的泄放電阻。還需注意，D2還有極問電容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<Vo的狀態(tài)，因而A2輸出端的電壓幾乎等于負電源電壓，A2的中間級和輸出級的某些管子，必處于深飽和和深截止狀態(tài)。僅當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)（或深截止狀態(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，該電路相當于有偏置的跟隨器（實圖4.6b）。r-MRD3R3SR3M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-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)計電路時，若使Vi的最大峰值小于A2的負向擺幅之半，則A2就可以保持在線性區(qū)工作。當然，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