11.2. Пиковые детекторы
Пиковые детекторы предназначены для измерения максимального за некоторый отрезок времени значения сигнала. Работу пикового детектора можно пояснить на примере простой схемы, состоящей из идеальных диода и конденсатора (рис. 11.11).
Рис. 11.11. Простейшая схема пикового детектора.
Пиковые детекторы могут работать в двух различных режимах - режиме слежения и режиме хранения. В режиме слежения входной сигнал больше ранее запомненного пикового значения, и выходное напряжение детектора соответствует входному до тех пор, пока входное напряжение не начнет снижаться. В этот момент устройство переходит в режим хранения, в котором будет оставаться до тех пор, пока входное напряжение вновь не превысит ранее достигнутого уровня. Пиковые детекторы похожи на устройства выборки и хранения (УВХ) как по схемотехнике, так и по рабочим характеристикам. Заметим, что хотя данная глава посвящена пиковым детекторам, все сказанное в ней относится и к детекторам минимумов (проще договориться о том, что пики могут быть положительными и отрицательными и не изобретать новых терминов), поскольку для этого в исходной схеме нужно просто изменить полярность включение диода (рис. 11.12).
Рис. 11.12. Простейший детектор минимумов.
Показанный на рис. 11.11 простой детектор имеет несколько недостатков. Во-первых, зафиксированное выходное напряжение не остается постоянным. Как правило, оно спадает из-за разряда конденсатора. В схемах пиковых детекторов с применением ОУ конденсатор может заряжаться входными токами, которые приводят к росту выходного напряжения в режиме хранения. Это явление также называют спадом, что вносит некоторую путаницу. Вторая основная проблема связана с конечным временем заряда конденсатора, что определяет минимальную длительность обнаруживаемого импульса, максимальную скорость нарастания выходного напряжения и ширину полосы пропускания пикового детектора. При выборе емкости конденсатора приходится учитывать два противоречивых требования: уменьшения скорости спада и повышения скорости нарастания. Например, большая емкость конденсатора гарантиирует меньшую скорость спада, поскольку напряжение на конденсаторе будет изменяться относительно медленно. Однако по этой же причине снижается скорость нарастания, и схема станет нечувствительной к коротким импульсам. Собственно, это классическая для инженера ситуация, в которой требуется компромиссное решение, в данном случае, между скоростями нарастания (быстродействием) и спада (точностью).
Обычно продетектированное напряжение должно храниться только в течение небольшого промежутка времени, после чего его необходимо сбросить для того, чтобы схема могла регистрировать последующие импульсы. Для этого либо в схему вводится ключ сброса, либо увеличивают скорость спада, добавляя резистор утечки (рис. 11.13).
Рис. 11.13. Пиковый детектор со сбросом.
Двухкаскадные пиковые детекторы
Простой двухкаскадный пиковый детектор изображен на рис. 11.14.
Рис. 11.14. Простой двухкаскадный пиковый детектор.
В этой схеме ОУ
А1 заряжает
конденсатор до пикового значения, а ОУ
А2
выполняет
роль буферного повторителя. Когда
входное напряжение превышает хранимое
на конденсаторе С, выходное напряжение
ОУ А1
увеличивается
и конденсатор заряжается через диод
VD1.
Таким образом,
пока напряжение UВХ
растет,
петля обратной связи ОУ А1
замкнута
через диод VD1,
и напряжение
на конденсаторе С
отслеживает
входное. Как 
только
входное напряжение начинает уменьшаться,
ОУ A1
переходит
в состояние отрицательного насыщения,
поскольку цепь его обратной связи
размыкается. Конденсатор С
оказывается
изолированным от выхода A1
и хранит
установившееся на нем напряжение.
Одной из основных причин изменения заряда конденсатора в режиме хранения являются входные токи ОУ, протекающие через конденсатор и изменяющие накопленный на нем заряд. В этой схеме конденсатор С соединен со входами обоих ОУ, что еще более усугубляет ситуацию. Поэтому для данной схемы целесообразно выбирать ОУ с полевыми входами, имеющие малые входные токи. Кроме того, входной сигнал проходит через два ОУ - А1 и А2, и к выходному сигналу детектора добавляются два напряжения смещения. Поэтому во многих случаях приходится выбирать ОУ с малыми входными напряжениями смещения. Так как фактически пиковым детектором является только ОУ А1 в устройствах, предназначенных для регистрации коротких импульсов, быстродействующим может быть только ОУ А1, а в качестве буферного можно выбрать ОУ общего применения. Переходная характеристика ОУ А1 с обратной связью должна быть хорошо демпфирована, поскольку в противном случае при быстрых изменениях входного напряжения на его выходе появляются выбросы перерегулирования, создающие иллюзию большого пикового сигнала (особенно это актуально для быстродействующих ОУ, которые, как правило, плохо работают на емкостную нагрузку, в данном случае - конденсатор С.
Можно предложить несколько вариантов улучшения приведенной на рис. 11.14 базовой схемы. В частности, на рис. 11.15 показан инвертирующий пиковый детектор с усилением сигнала.
Рис. 11.15. Инвертирующий пиковый детектор.
Конденсатор разряжается через резистор R2 на виртуальную землю - инвертирующий вход ОУ А1. Спад выходного напряжения в режиме хранения определяется экспоненциальным разрядом конденсатора с постоянной времени C·R2. Каскад на ОУ А1 представляет собой однополупериодный выпрямитель. Некоторые из рассматриваемых далее схем выпрямителей можно превратить в пиковые амплитудные детекторы, подключая к их выходам конденсаторы и буферные каскады. Отметим, что диод VD2 обеспечивает отрицательную обратную связь ОУ А1 в режиме хранения. Это предотвращает насыщение усилителя А1 и значительно сокращает время перехода в режим отслеживания сигнала. Диод VD2 можно исключить, но при этом снижается быстродействие схемы.
В приведенной на рис. 11.16 схеме пиковый детектор абсолютного значения получен путем объединения неинвертирующего детектора на ОУ А2 и инвертирующего на ОУ А1.
Рис. 11.16. Пиковый детектор абсолютного значения.
Здесь также происходит разряд конденсатора С через резистор R2 на инвертирующий вход ОУ A1, поэтому эту схему можно применять только в тех случаях, когда требуется постепенный спад выходного напряжения, или там, где он допустим.
Отметим, что можно зафиксировать пиковое значение нескольких сигналов, изменив схему на рис. 11.16 так, чтобы каждый сигнал поступал на свой входной каскад, состоящий из ОУ A2 и диодов VD3 и VD4 (обведено пунктиром), и подключив затем каждый из входных каскадов к запоминающему конденсатору С и выходному буферу на ОУ A3.
Пиковый детектор с общей обратной связью
На рис. 11.17 приведена схема пикового детектора с общей обратной связью.
