峰值检测电路分析.doc

峰值检测电路(二)

1．基本得峰值检测电路
本实验以峰值检测器为例, 说明可利用反馈环改进非线性得方法。
峰值检测器就是用来检测交流电压峰值得电路,　最简单得峰值检测器依据半波整流原理构成电路。如实图4、１所示,　交流电源在正半周得一段时间内,　通过二极管对电容充电， 使电容上得电压逐渐趋近于峰值电压。只要　RC 足够大,可以认为其输出得直流电压数值上十分接近于交流电压得峰值。

图4、1 简单峰值检测电路

这种简单电路得工作过程就是,　在交流电压得每一周期中,　可分为电容充电与放电两个过程。在交流电压得作用下, 在正半周得峰值附近一段时间内,　通过二极管对电容 C　充电,而在其它时段电容　C 上得电压将对电阻 R 放电。当然,当外界交流电压刚接上时,需要经历多个周期, 多次充电,　才能使输出电压接近峰值。但就是，　困难在于二极管就是非线性元(器）件， 它得特性曲线如实图4、2所示。当交流电压较小时,检测得得直流电压往往偏离其峰值较多。

图4、2　二极管特性曲线
这里得泄放电阻Ｒ，就是指与 C 并联得电阻、下一级得输入电阻、二极管得反向漏电阻、以及电容及电路板得漏电等效电阻。不难想到， 放电就是不能完全避免得。同时, 适当得放电也就是必要得。特别就是当输入电压变小时,　通过放电才能使输出电压再次对应于输入电压得峰值。实际上, 检测器得输出电压大小与峰值电压得差别与泄放电流有关。仅当泄放电流可不计时, 输出电压才可认为就是输入电压得峰值。用于检测仪器中得峰值检测器要求有较高得精度。检测仪器通常 R　值很大,且允许当输入交流电压取去后可有较长得时间检波输出才恢复到零。可以用较小得电容，从而使峰值电压建立得时间较短。
本实验得目得, 在于研究如何用运算放大器改进峰值检测器, 进一步了解运算放大器之应用。
２.峰值检测电路得改进

为了避免次级输入电阻得影响,　可在检测器得输出端加一级跟随器(高输入阻抗）作为隔离级(实图4、3)。

图 ４、３ 峰值检测器改进电路(一)
也可以按需要加一可调得泄放电阻。如果允许电路有很长得放电时间, 也可以不用外加泄放电阻。这种电路可以有效地隔离次级得影响, 且跟随器得输出电压(Vｏ)可视为与电容上得电压相等。
电路中得二极管, 仅在 Vi-Vo > 0 时才导通,　使电容C充电。这时， 二极管上得电压为(Ｖi-Ｖo)。为使在(Vi-Vo)很小时也能有足够得充电速度,　可将(Vｉ-Vo)经过放大,　再作用于二极管。按照这一设想, 可在检测器前加一级比较放大器(实图４、４)。

图4、４ 峰值检测器改进电路(二）
在分析时常认为运算放大器失偏电压为理想值 0V。比较放大器就是开环得差动放大器,它可以有很高得增益， 只要 Vｉ 略大于　Vｏ, 就可以输出很大得电压驱动 D1 对电容充电。例如运算放大器得增益为 100dB量级, 只需 Vi 比 Vo 大 0、02ｍV, 就可以输出 ２V 得正向电压，显然, 加速了电容得充电过程,直至使　Vo 等于 Vi 得峰值为止因为二极管D1导通之后,第一级运放又构成了电压跟随器。
。实际工作中， 决定 Vo 与 Vi 有差别得一个重要因素, 将就是放大器输入端得失调电压。当然,　放大器也应有足够得带宽,以适应要求检测得交流电压得频率范围。

在 Ｖｉ-Vｏ　< ０ 时，　比较放大器得输出电压接近于负电源电压， 使　D1 上有较大得反向电压, D1　就会有一定得反向泄漏电流。为抑制 D1 得反向电流,　应使　D1 得正极在反向时得电压， 只略低于 Vo。为此， 在比较放大器(A２)与 Ｄ1　之间增设二极管 D２　与电阻 R2 (实图4、５)。

图４、５ 峰值检测器改进电路(三） 
在 Vi　> Vo 时, A2　输出较大得正向电压, 使 D２ 与 D１ 导通对电容充电。在　Vi < Vo 时， A2　输出得反向电压使 D2　关断。这时, D２　得负极(D１ 得正极)通过 Ｒ2　联于　A1 得输出端, 使 R2 一端得电压（对地）为 Vo。如图所示, 流过 D2 得反向电流通过 R２, 因而使 D2 得负极(D1　得正极）上与电容上得电压得以保持。

通常　Ｒ2　为数百kＷ得电阻, 例如在实图4、５中 R２　为 5６0kW。若　D2　得反向电流为　０、2ｍA,　则 R2 上得电压为 0、１１V,　即 D1 上得反向电压为 0、１１V。由此可见，　D２ 与 R2 有效得抑制了Ｄ1得反向电流， 其作用相当于增大了检测电路得泄放电阻。

还需注意, D2 还有极间电容 C2, 它与　Ｒ2 组成阻容耦合电路。以上得分析略去了 C2 得作用,实际上就是假定输入信号得频率满足：W <＜ 1/(R2C２)　 (4、１)　

因此, 除了选用级间电容较小得二极管之外,　还应参照上式选择 R２。

实图4、5就是改进得峰值检测器得原理图。该电路还有一个实际问题。在输入信号得每周期得大部分时间中处于 Vｉ　< Ｖo 得状态, 因而 A2　输出端得电压几乎等于负电源电压, A２ 得中间级与输出级得某些管子,　必处于深饱与与深截止状态。仅当　Vi 在峰值附近得一小段时间中，　A2 才可能在线性区中, A2 得某些管子应从深饱与状态(或深截止状态)转向线性区(放大区)中得状态。管子得这种状态得转换需要经历一段时间才能完成。这种效应限制了输入信号频率,　亦即限制了检测速度。

为了改善电路得速度，　用非线性元(器)件 D3,　将比较放大器组成非线性反馈得放大器(实图4.6a)。在 Ｖi > Ｖo 时,Ｖo2　高于 Vo, D3　处于反偏置状态（不导通）,A２ 仍可视为无反馈得高增益电路;　在 Vi <　Vｏ 时,Vｏ2 低于　Vo, D3 处于正偏置状态(导通）呈现为低阻抗, A2 可视为有强反馈得低增益放大器。若 D３ 得正向等效电阻为　RD3,　在 rD3 ＜< R3 时,　只要 Ｒ3 充分大,保持 Vo 值变化较小,对于输入信号来说, 该电路相当于有偏置得跟随器(实图4、6b)。含有非线性元件得运放分析

图4、６ 提高峰值检测器充电速度得原理图

 若 ｒD3 可不计则输出电压为:Vｏ2 ≌ Vi －Vｏ 因为此时运放就是一个带偏置得电压跟随器
- VＤ３　 　　(4、2)
 Vo2 得最低值为　 Vo2ｍｉn 　≌ －2VＰ - ＶＤ３   　(4、3）

式中　Vｐ 就是输入电压　Vｉ 得峰值。在设计电路时,　若使 Vｉ 得最大峰值小于　A2 得负向摆幅之半,则 Ａ２ 就可以保持在线性区工作。当然,D3得 反向电阻应尽可能大,以保证　Vo2 为正值时不致通过 D3 泄漏至 Vｏ。

综上所述, 较完善得峰值检测器电路如实图4、７所示。

 图4、7　峰值检测器改进电路(四) 

参数选择： 
按照上面得分析,　R３　应满足: ＲD3　>> R3 >＞ ｒＤ3 （4、4)
RD3　就是　Ｄ3 得反向等效电阻。因 ｒD3　常在 1００W 量级, RD3 常在 １０0０kＷ 量级或更大,　故 R３ 可选为 10kW　量级。
整个电路,A２就是输入缓冲,其输入端包含A1得输出反馈,用于实现比较功能“Vｉ高于Vｏ就打开下级电路”。A1就是输出缓冲。
注：1、只要 R3 充分大，就能保持 Ｖｏ 值变化较小。
2、R2用于减少D2得反相泄露电阻。