峰值保持电路原理legendfda

峰值保持电路

AD8330正向输出端信号为窄脉冲，目前常用的AD 采样电路难以捕捉到窄脉冲的幅值，所以需要采用峰值保持电路，该电路的作用是获取压控放大电路输出信号的峰值并保持一段时间，从而使后续电路有足够的时间将其转换为数字信号，用于计算目标方位。

1 峰值保持原理

目前峰值保持电路主要哟两种形式：电压型和跨导型。如图 1、图 2 所示（图中省略了放大回路）。

图 1 电压型峰值保持电路原理图

图 2 跨导型峰值保持电路原理图

电压型峰值保持电路主要由电压放大器A 、峰值检测器二极管D 、保持电容和电压缓冲器B 组成。电压放大器对输入电压Vin 和输出电压V out 之间的电压差进行放大，输出为电压信号。若V out 小于Vin ，则电压放大器输出的电压信号通过二极管D 对电容C 充电，若V out 大于Vin ，二极管截止，电容上的电压保持不变。

跨导型峰值

保持电路主演由跨导放大器G 、恒流源I 、二极管D 、保持电容C 和电压缓冲器B 组成。跨导放大器对输入电压Vin 和输出电压V out 之间的电压差进行放大，输出为电流信号。若V out 小于Vin ，则跨导放大器输出的电流信号通过二极管D 对电容C 充电，若V out 大于Vin ，二极管不导通，电容C 上的电压维持不变。恒流源I 的作用是为跨导放大器提供静态回路。

图3 电压型与跨导型波形比较

传统的峰值保持电路是电压型的，电路原理简单，但积分非线性大，响应速度慢，很难处理高速脉冲信号。目前也有人在这方面进行不断的研究希望能够解决这个难题，又不少的人已经研究出采用高速电压放大器构成的峰值保持电路，使用逻辑电路控制保持电容C的充放电过程，并且对峰值保持信号进行了展宽，为峰值保持电路的实际提供了新的思路，但没有解决保持误差的问题。

跨导型峰值保持电路具有响应速度快、动态范围大和误差小等优点，但结构比较复杂。PKD01、AD585和AD783 是AD公司的三款高速、高精度采样跟踪保持放大器（SHA），它们内部均采用跨导型峰值保持电路结构。这类产品的特点是保持误差小，一般小于0.1%，下垂速率非常小，一毫秒仅下降零点几个毫伏的电压，但它们的响应速度均≧250ns。采用集成跨导CA3080构成的峰值保持电路，电路的保持误差小于1%，下垂速率为0.3mV/us，但电路的通频带仅为8MHZ。现有的跨导型峰值保持电路根据作者实际的需要，往往在响应速度和保持误差这两个参数中进行了取舍。对于本课题而言，既要求峰值保持电路能够响应窄带脉冲信号，也要求其保持误差不能太大，因此，本节的目的就是参考现有的器件和文献资料，设计使用与窄带脉冲信号的跨导型峰值保持电路，兼顾响应速度和保持误差这两个指标。

峰值保持电路理论及分析

本小节对跨导型峰值保持电路做理论分析，理论分析的目的是为峰值保持电路设计提供指导。为了便于分析，假设跨导放大器G、二极管D和电压缓冲器B 均无时间延迟，并对跨导型峰值保持电路作了简化，如图3所示。

图4简化的跨导型峰值保持电路原理图

二极管D导通时，输入电压Vin、输出电压V out和保持电容C上的电流i 这三者之间的关系为

()1

in out out i G V V V idt C =-⎧⎪

⎨=⎪⎩⎰ （1） 由此可得输入电压与输出电压之间的关系为 00()()()t t out out in C

V x dx V t V x dx G +=⎰⎰ （2）

设定初始条件为in V （0）=0，(0)0out V =，并假设in V 具有如下的便是形式

(0)1()()r r in r f r r f x t x t V x t t x t t ≤≤⎧

=⎨

--≤≤+⎩

（3） 式中r t 、f t 分别为输入电压脉冲的上升时间和下降时间。 由（2）、（3）式，采用待定系数法，可求得out V 的表达式如下

0(0)()()out s r

r C t G V T t C C t t t Gt G ⎧

≤≤⎪⎪

⎨⎪-≤≤⎪⎩ （4）

这说明在理想情况下，输出信号是输入信号延迟，延迟时间为C/G 。从而电

路的响应速度他可定义为

C

G

τ= （5）

将（4）式代入（1）式，从而电容C 上的平均充电电流可定义为

c r

C

I t =

（6） （4）式中s t 为二极管D 截止的时刻，它满足如下等式

()

1s s r r r f

t t t C t Gt t --=- （7）

若二极管无反向漏电流，则s t 时刻之后输出电压保持不变，一直为()out s V t ，因此电路的保持误差可定义为

()()

100%()

out s in r PH in r V t V t V t η-=

⨯ （8）

1100%r f

C G t t =

∙⨯+ 考虑到二极管均存在反向漏电流，假设反向漏电流Df D R I u I =，其中R I 为二

极管反向击穿是的电流，D u 为比例因子，01D u <<。则保持电容在t ∆时间内的漏电电压V ∆为

Df I V t C

∆=∆ （9）

定义下垂速率FS 为

D R

u I FS C

=

（10） 则当s t t =时，输出电压out V 表达式为

()()()out out s s V t V t FS t t =-- （11） 上面的讨论中没有考虑器件的延时，若设跨到放大器G 和二极管D 的时间延迟分别为G τ、D τ，则响应速度可定义如下

G D C

G

τττ=

++ （12）

上式理论分析可以用图4来表示。

图 5 理论分析图形化表示

目前的宽带跨导放大器（WTA ）带宽可达300MHz ，跨导增益一般为ms ，高速肖特基（Schottky ）二极管（如BAT17）响应速度可达几百皮秒，反向漏电流为微安量级。由式（5），要想响应速度可达到几个纳秒，则保持电容应为皮法量级。但信号上升沿为ns 量级，保持电容为皮法量级时，（6）式说明保持电容上的平均充电电流为毫安量级。（8）式说明保持精度与保持电容、跨导、信号脉冲上升沿时间、信号脉冲下降沿时间等参数有关。（10）式说明下垂速率与二极管反向漏电流大小成正比，以电容大小成反比。