激光窄脉冲信号探测中的峰值保持电路分析

激光窄脉冲信号的峰值探测电路分析

摘要：激光窄脉冲信号的峰值功率检测对研究激光脉冲的能量特性和评估其毁伤效果具有很大的利用价值。本文对峰值保持电路进行改进，使其适合窄脉冲信号的峰值功率检测，并详细讨论了峰值保持电路的各项技术指标，得出放大器的带宽、转换速率，二极管的导通电阻、结电容及结间载流子的渡越时间，和缓冲器的输入电流对下垂速率及线性度的影响。根据各技术指标的影响合理选择器件，结合A/D采集功能给出了几种电路设计方案并比较它们的优劣。

关键词：激光窄脉冲信号；峰值保持；技术指标；A/D采集

Peak Holding Circuit Analysis for Laser Short Pulse Signal

Abstract: A circuit which can complete peak holding function for laser short pulse signal power is with great value for its purpose to study its characteristic of energy and damage effect. In this paper, the peak holding circuit is improved to adapt to peak power detecting for laser short pulse signal , and some technical indexes ,which are OP bandwidth, slew rate, diode on-resistance, junction capacitance and carrier transit time, input current of buffer, are studied in detail for their effectiveness to droop rate and linear ratio. Based on technical indexes, several circuit design scheme are showed and compared of their good and bad with related to A/D sampling function.

Keyword:laser short pulse signal；peak holding；technical index；A/D sampling

1 引言

在光电对抗实验中，需要对大功率激光的光参量（如功率、能量、频率、波长及光谱）特性进行详细研究。在Nd:YAG激光实验中，通常以窄脉冲形式的低重频激光发射，脉宽、上升沿及下降沿时间都为ns量级，脉冲功率密度为KW/cm2以上，脉冲能量密度为mJ/cm2以上。这种窄脉冲形式的信号不能直接用A/D采集，需要对信号的真实峰值采样保持，以便使用常规的A/D转换技术或多道分析仪进行测量分析。经典的峰值保持电路频带窄，转换速率慢，线性差，下垂速率快，不适于高速采集。本文通过对峰值保持电路的特性进行分析，给出了一种改进型的峰值保持电路设计，并配合A/D采集功能介绍了三种实现方案。

2 电路设计

2.1 经典电路分析

典型的峰值保持电路见图 1。

图 1典型峰值保持电路原理图

它由运算放大器A、B组成，外加一个开关二极管D和保持电容C。放大器A和B 组成电压跟随器的形式。其工作原理为：当输入电压大于输出电压，二极管D导通，保持电容C充电，直到输入电压和输出电压相等为止。信号峰值保持的波形如图 2所示。

V

图 2峰值保持电路的输入输出波形[1]

这种峰值保持电路是电压型的，积分非线性差，过冲严重，并且由于二极管存在一定的导通电压，输入与输出不完全一致，因此有必要对其进行一定的改进。

2.2 原理分析

峰值保持电路是处理实时信号的，因此其性能的优劣就体现在对信号变化感知的灵敏性上，表现为电气参量对时间的微分。前面分析了电压型的峰值保持电路性能较差，因此这里采用跨导型的峰值保持电路，见图 3。

图 3跨导峰值保持器原理图[2]

其中G为跨导运算放大器，B为缓冲器，D为开关二极管，C为保持电容，I为恒流源（吸取静态电流）。通过电压反馈，二极管的导通电压被抵消，弥补了输出存在导通电压差的不足。

对于跨导运算放大器的输出电流有

()

i o

i g V V

=- (1)

其中，g为跨导，

i

V、

o

V分别为输入、输出电压。其电路的频率特性为

()

i o

o

g V V

i

V

j c j c

ωω

-

== (2) 系统电压转移函数为

()11o i

V H c V j

g ωω=

=+

(3)

(

)H ω=

(4)

电路的-3dB 频率点为/T g c ω=，可以看出，此电路只有一个极点。

表 1列出了跨导型峰值保持电路各项技术指标，其影响因素包括放大器的转换速率和带宽，二极管的漏电流和缓冲器的输入偏置电流。

表 1 电路技术指标

对二极管的模型分析有助于器件选型，其实际模型见图 4。

图 4二极管SPICE 模型[3]

其SPICE 模型涉及的参数有S I ，S R ，TT ，0j C 和j V 等。其中S I 为饱和电流，S R 为导通电阻，TT 为载流子渡越时间，0j C 为结电容，j V 为结电压。模型总的传递电阻为

()

1()()

s total

s s j sc j sc R H P R R R s C C s C C ⎧

⎪

=+=⎨

++⎪+⎩

导通关断

(5)

当外加电压时，串联导通电阻s R 能够分压，从而输出电压与输入电压之间有一定压降，这对于开关特性来说是不理想的。因此，选取开关二极管时应该使导通电阻尽可能的小。但从该模型不能导出二极管的瞬态特性，其瞬态特性与渡越时间TT 有关，它直接影响着二极管的开关速度。TT 越小，开关速度越快。

二极管的结电容在高频时影响显著。在通以高频信号时，导通时结电容影响比较小，但在关断时反向电流除了和二极管内载流子的结间渡越时间有关外，还和结电容的大小有关，因为电容在高频时等效为一定阻值的电阻，形成一定的通路。因此为了提高二极管的关断特性，应尽量减小结电容，从而提高高频条件下电容引入的容抗，进一步减少反向漏电流。 2.3 模型改进

通过前面的理论分析，对电路进行一定的改进，如图 5所示。

跨导放大器和缓冲器都选用宽带，高转