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详解峰值检测电路几电路原理
一、峰值检测电路定义 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。 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）。 3、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，对100mVpp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。 3.2无二极管型 该图使用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： 该图用TINA未能仿真成功，Mutisim 12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。 3.4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。 四、检查电路实例 4.1基本的峰值检测电路 本实验以峰值检测器为例, 说明可利用反馈环改进非线性的方法。峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路, 最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。如图下所示, 交流电源在正半周的一段时间内, 通过二极管对电容充电, 使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要 RC 足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。 这种简单电路的工作过程是， 在交流电压的每一周期中, 可分为电容充电和放电两个过程。在交流电压的作用下， 在正半周的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 上的电压将对电阻 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。但是， 困难在于二极管是非线性元(器)件, 它的特性曲线如实图下所示。当交流电压较小时，检测得的直流电压往往偏离其峰值较多。 这里的泄放电阻R，是指与 C 并联的电阻、下一级的输入电阻、二极管的反向漏电阻、以及电容及电路板的漏电等效电阻。不难想到, 放电是不能完全避免的。同时, 适当的放电也是必要的。特别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的峰值。实际上, 检测器的输出电压大小与峰值电压的差别与泄放电流有关。仅当泄放电流可不计时, 输出电压才可认为是输入电压的峰值。用于检测仪器中的峰值检测器要求有较高的精度。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的时间检波输出才恢复到零。可以用较小的电容，从而使峰值电压建立的时间较短。 本实验的目的, 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。 4.2峰值检测电路的改进 为了避免次级输入电阻的影响, 可在检测器的输出端加一级跟随器(高输入阻抗)作为隔离级。 也可以按需要加一可调的泄放电阻。如果允许电路有很长的放电时间, 也可以不用外加泄放电阻。这种电路可以有效地隔离次级的影响, 且跟随器的输出电压(Vo)可视为与电容上的电压相等。 电路中的二极管, 仅在 Vi-Vo > 0 时才导通, 使电容C充电。这时, 二极管上的电压为(Vi-Vo)。为使在(Vi-Vo)很小时也能有足够的充电速度, 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。 在分析时常认为运算放大器失偏电压为理想值 0V。比较放大器是开环的差动放大器,它可以有很高的增益, 只要 Vi 略大于 Vo, 就可以输出很大的电压驱动 D1 对电容充电。例如运算放大器的增益为 100dB量级, 只需 Vi 比 Vo 大 0.02mV, 就可以输出 2V 的正向电压，显然, 加速了电容的充电过程，直至使 Vo 等于 Vi 的峰值为止。实际工作中, 决定 Vo 与 Vi 有差别的一个重要因素, 将是放大器输入端的失调电压。当然, 放大器也应有足够的带宽，以适应要求检测的交流电压的频率范围。 在 Vi-Vo < 0 时, 比较放大器的输出电压接近于负电源电压, 使 D1 上有较大的反向电压, D1 就会有一定的反向泄漏电流。为抑制 D1 的反向电流, 应使 D1 的正极在反向时的电压, 只略低于 Vo。为此, 在比较放大器(A2)与 D1 之间增设二极管 D2 和电阻 R2。 在 Vi > Vo 时, A2 输出较大的正向电压, 使 D2 与 D1 导通对电容充电。 在 Vi < Vo 时, A2 输出的反向电压使 D2 关断。这时, D2 的负极(D1 的正极)通过 R2 联于 A1 的输出端, 使 R2 一端的电压(对地)为 Vo。如图所示, 流过 D2 的反向电流通过 R2, 因而使 D2 的负极(D1 的正极)上和电容上的电压得以保持。 通常 R2 为数百kW的电阻, 例如在实图下中 R2 为 560kW。若 D2 的反向电流为 0.2mA, 则 R2 上的电压为 0.11V, 即 D1 上的反向电压为 0.11V。由此可见, D2 和 R2 有效的抑制了D1的反向电流, 其作用相当于增大了检测电路的泄放电阻。 还需注意, D2 还有极间电容 C2, 它与 R2 组成阻容耦合电路。以上的分析略去了 C2 的作用,实际上是假定输入信号的频率满足：W << 1/(R2C2)。 因此, 除了选用级间电容较小的二极管之外, 还应参照上式选择 R2。 上图是改进的峰值检测器的原理图。该电路还有一个实际问题。在输入信号的每周期的大部分时间中处于 Vi < Vo 的状态, 因而 A2 输出端的电压几乎等于负电源电压, A2 的中间级和输出级的某些管子, 必处于深饱和和深截止状态。仅当 Vi 在峰值附近的一小段时间中, A2 才可能在线性区中, A2 的某些管子应从深饱和状态(或深截止状态)转向线性区(放大区)中的状态。管子的这种状态的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。 为了改善电路的速度, 用非线性元(器)件 D3, 将比较放大器组成非线性反馈的放大器。在 Vi > Vo 时，Vo2 高于 Vo, D3 处于反偏置状态(不导通)，A2 仍可视为无反馈的高增益电路; 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 可视为有强反馈的低增益放大器。若 D3 的正向等效电阻为 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的跟随器。 若 rD3 可不计则输出电压为：Vo2 ≌ Vi -Vo – VD3。 Vo2 的最低值为 Vo2min ≌ -2VP – VD3。 式中 Vp 是输入电压 Vi 的峰值。在设计电路时, 若使 Vi 的最大峰值小于 A2 的负向摆幅之半，则 A2 就可以保持在线性区工作。当然，D3的 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, 较完善的峰值检测器电路如实图下所示。 参数选择： 按照上面的分析, R3 应满足：RD3 >> R3 >> rD3 ，RD3 是 D3 的反向等效电阻。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是输入缓冲，其输入端包含A1的输出反馈，用于实现比较功能“Vi高于Vo就打开下级电路”。A1是输出缓冲。 注意： 1、只要 R3 充分大，就能保持 Vo 值变化较小。 2、R2用于减少D2的反相泄露电阻。
11-19 181浏览 -
电力系统的技术进步对社会的影响是什么？
电力系统的重要性不言而喻，在电力系统的保障下，居民每天的生活用电才能得到保障。上篇文章中，小编对电力系统的运行、电力系统的电源规划有所阐述。为增进大家对电力系统的认识，本文将对电力系统的研究开发予以...
09-04 147浏览 -
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一个高端电流检测电路设计
这个电路是ADI的AD629的原理（，这种电路设计的很巧妙，只是不清楚是否有专利问题。 图中的参数是按照AD629的内部参数标注的，按照图中的参数，这个放大器的增益为1，共模范围为运放本身共模范围的20倍。 图中R3、R5在原电路中是一个20k的电阻，21.1k电阻的精确值应当是21.11……k。把这个电阻分成两个，一方面为了方便大家理解，另一方面在实际使用的时候可以避免了非标准电阻值的问题。在这个电路中，为了保证电路平衡，要求R1=R1、R3=R4、R5=R6。这三对电阻的平衡决定了放大器的共模抑制比。 这个放大器的参数选择如下： 增益： G=R4/R2 共模电压范围倍数： N=(R1+R3//R5)/(R3//R5) N其实非常简单： 同相端就是一个分压器，把R3和R5看做一个电阻，比如叫R3'，R1和R3'分压之后不超出运放的共模范围运放就能正常工作，所以： N=R3'/(R1+R3') 同理，假设输出电压为零（输入端只有共模信号没有差模信号的时候），反相输入端同样是一个分压器，计算方法和结果都和同相端相同。 共模电压范围是运放的一个参数，只要运放的两个输入端电压均不超过这个范围，生产运放的厂家保证运放能按照预期的方式正常工作；反之，当共模电压范围被超出了，厂家不保证运放的性能。 实际使用中，保证运放不超出规定的共模电压范围是设计工程师的职责。 事实上，运放往往能稍稍超出规定的共模电压范围而能正常工作，但如果你这样设计，如果电路工作不正常，你只能找自己的麻烦。 差模输入电压范围对运放本身来说实际上没有太大的意义，因为运放具有很大的开环增益，所以运放闭环的时候两个输入端之间的差模电压是极小的一个电压差值。这个差值等于输出电压除以开环电压增益。如果运放输入端的电压差值稍大，运放的输出端就饱和了，这时候运放实际上成了电压比较器。 要讨论差模输入电压范围，必须考虑包括外接元件在内的整个电路，比如一个差分放大器。对于差分放大器，差模电压范围主要限制是：最大差模输入电压不能使运放输出电压出现限幅饱和状态。 免责声明：本文转自网络，版权归原作者所有，如涉及作品版权问题，请及时与我们联系，谢谢！
08-08 137浏览 -
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深入理解运放的CMRR
本文整理了运放CMRR的定义，如何使用CMRR计算共模电压引入的误差（折算到同相输入端），并仿真进行了验证。限制运放自身CMRR的因素我们简单了解即可，因为运放自身CMRR通常很大，不是误差主因。电阻匹配才是差分放大器CMRR恶化的主因。
07-22 200浏览 -
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如何抑制共模干扰
01共模信号和差模信号 通常电源线有三根线，火线L，零线N和地线PE。 电压和电流的变化通过导线传输时有两种形态, 一种是两根导线分别做为往返线路传输, 我们称之为"差模"；另一种是两根导线做去路,地线做返回传输, 我们称之为"共模"。 如上图, 蓝色信号是在两根导线内部作往返传输的，我们称之为"差模"；黄色信号是在信号与地线之间传输的，我们称之为"共模"。 02共模干扰与差模干扰 任何两根电源线上所存在的干扰，均可用共模干扰和差模干扰来表示。 共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰，它定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差； 差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰,它定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。 在一般情况下，共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小。 2.1共模干扰信号 共模干扰的电流大小不一定相等，但是方向（相位）相同的。电气设备对外的干扰多以共模干扰为主，外来的干扰也多以共模干扰为主，共模干扰本身一般不会对设备产生危害，但是如果共模干扰转变为差模干扰，干扰就严重了，因为有用信号都是差模信号。 2.2差模干扰信号 差模干扰的电流大小相等，方向（相位）相反。由于走线的分布电容、电感、信号走线阻抗不连续，以及信号回流路径流过了意料之外的通路等，差模电流会转换成共模电流。 2.3共模干扰产生原因 1. 电网串入共模干扰电压。 2. 辐射干扰（如雷电，设备电弧，附近电台，大功率辐射源）在信号线上感应出共模干扰，原因是交变的磁场产生交变的电流，地线－零线回路面积与地线－火线回路面积不相同，两个回路阻抗不同等原因造成电流大小不同。 3.接地电压不一样，简单的说就电位差而造就了共模干扰。 4.设备内部的线路对电源线造成的共模干扰。 2.4共模干扰电流 共模干扰一般是以共模干扰电流存在的形式出现的，一般情况下共模干扰电流产生的原因有三个方面： 1. 外界电磁场在电路走线中的所有导线上感应出来电压（这个电压相对于大地是等幅和同相的），由这个电压产生的电流。 2. 由于电路走线两端的器件所接的地电位不同，在这个地电位差的驱动下产生的电流。 3. 器件上的电路走线与大地之间有电位差，这样电路走线上会产生共模干扰电流。 2.5注意事项 1.器件如果在其电路走线上产生共模干扰电流，则电路走线会产生强烈的电磁辐射，对电子、电气产品元器件产生电磁干扰，影响产品的性能指标； 2.当电路不平衡时，共模干扰电流会转变为差模干扰电流，差模干扰电流对电路直接产生干扰影响。对于电子、电气产品电路中的信号线及其回路而言：差模干扰电流流过电路中的导线环路时，将引起差模干扰辐射，这种环路相当于小环天线，能向空间辐射磁场，或接收磁场。 3. 共模干扰主要集中在1MHz以上。这是由于共模干扰是通过空间感应到电缆上的，这种感应只有在较高频率时才容易发生。但有一种例外，当电缆从很强的磁场辐射源(例如，开关电源)旁边通过时，也会感应到频率较低的共模干扰。 03如何抑制共模干扰 共模干扰作为EMC干扰中最为常见且危害较大的干扰，我们抑制它最直接的方法就是滤波。 在电路中串入共模电感，当有共模干扰电流流经线圈时，由于共模干扰电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模干扰电流，达到滤波的目的； 当电路中的正常差模电流流经共模电感时，电流在同相绕制的共模电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，因而对正常的差模电流基本没有衰减作用。 案例 USB 信号上的共模干扰抑制方法 USB 端口的滤波处理－使用共模电感 USB 传输线上的信号是差分信号而干扰源是共模干扰信号，在传输线上串上共模电感能较好的抑制共模干扰，而对有用的差分信号没有任何衰减。 USB 高速运行会在DM/DP信号线上产生很强的共模干扰 电路中加入滤波器－共模电感后共模干扰信号得到有效抑制 如果共模干扰源是在电源回路，可使用共模电容来抑制干扰信号。 在电路中引入共模电容，则共模电容提供最短的路径使共模干扰信号被旁路，从而抑制共模干扰的产生。 如果电源回路同时还存在差模干扰，使用差模电容来抑制干扰。 在电路中引入差模电容，则差模电容提供最短的路径使差模干扰信号被旁路，从而抑制差模干扰的产生。 共模干扰作为EMC干扰中最为常见且危害很大的干扰,抑制它的方法除了滤波外，还可以通过对信号线路进行屏蔽，在PCB 板上大面积铺地降低地线阻抗来减少共模信号强度等方法。 四个腿的电感是什么？有什么作用？ 我们常见的电感是两个腿的，叫做差模电感。今天和大家介绍四个腿的共模电感。 差模电流与共模电流 差模电流：在一对差分信号线上，大小相同，方向相反的一对信号，一般是电路中的工作电流，对于信号线就是信号线与信号地线之间流动的电流。 共模电流：在一对差分信号线上，大小相同，方向相同的一对信号(或噪音)。在电路中，一般对地噪音一般都是以共模电流的方式传输的，所以又称为共模噪声。 差模电流与共模电流 抑制共模噪声的方法多种多样，除了从源头去减少共模噪声外，通常我们抑制最常用的方法就是使用共模电感来滤除共模噪声，也就是将共模噪声阻挡在目标电路外面。即在线路中串联共模扼流器件。这样做的目的是增大共模回路的阻抗，使得共模电流被扼流器所消耗和阻挡(反射)，从而抑制线路中的共模噪声。 共模扼流器或电感的原理 若在以某种磁性材料的磁环上绕上同向的一对线圈，当交变电流通过时，因为电磁感应而在线圈中产生磁通量。对于差模信号，产生的磁通量大小相同、方向相反，两者相互抵消，因而磁环产生的差模阻抗非常小；而对于共模信号，产生的磁通量大小和方向均相同，两者相互叠加从而使磁环产生了较大的共模阻抗。这一特性使得共模电感对于差模信号的影响较小，而对共模噪声具有很好的滤波性能。 1) 差模电流通过共模线圈，磁力线方向相反，感应磁场削弱，从如下图磁力线方向可以看出—实线箭头表示电流方向，虚线表示磁场方向 2) 共模电流通过共模线圈，磁力线方向相同，感应磁场加强，从如下图磁力线方向可以看出—实线箭头表示电流方向，虚线表示磁场方向。 共模线圈的电感或者称为自感系数，我们知道电感是表征产生磁场的能力。对于共模线圈或者共模电感，当共模电流流过线圈时，由于磁力线方向相同，在不考虑漏感的情况下，磁通量叠加，其原理是互感。下图红色线圈产生的磁力线穿过蓝色线圈，同时蓝色线圈产生的磁力线也穿过红色线圈，彼此相互感应。 从电感的角度来看，电感量也是成倍增加，磁链代表了总磁通量。对于共模电感，当磁通量是原来的2倍时，匝数没有发生变化，电流也没没有发生变化，此时电感量增加为原来的2倍，意味着等效磁导率变为原来的2倍。 等效磁导率何以增加一倍，从下面的电感公式来看，由于匝数N不改变、磁路和磁芯截面积由磁芯的物理尺寸决定，因此也没有改变，唯一就是磁导率u增加了一倍，因而可以产生更多的磁通量。 所以，共模电感在共模电流通过时，工作在互感模式下。在互感的作用下，等效电感量被成倍增加，共模感抗也会成倍增加，因而对共模信号有良好的滤波作用，也就是将共模信号用大阻抗阻挡，不让其通过共模电感，即不让此信号传输到电路的下一级，如下是电感产生的感抗ZL。 认识共模电感在共模模式下的电感量，主要线索是认识互感，一切的磁性元器件。无论什么名称只要把握磁场的变化形式，透过现象看磁场变化的本质，也会容易理解。
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