3. 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. 1.29) [1, 3, 5, 7, 12].

Пиковые детекторы могут работать в двух различных режимах – слежения и 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. Показанный на рис. 1.29 простой детектор имеет несколько недо­статков. Во-первых, зафиксированное выходное напряжение не остается постоянным из-за разряда конденсатора. Во-вторых, при выборе емкости конденсатора приходится учитывать два противоречивых требования: уменьшения скорости спада и повышения скорости нарастания.

Простой двухкаскадный пиковый детектор изображен на рис. 1.30. В этой схеме ОУ А₁заряжает конденсатор до пикового значения, а ОУА₂выполняет роль буферного повторителя. Когда входное напряжение пре­высит хранимое на конденсатореС, тогда выходное напряжение ОУА₁начнет уве­личиваться, а конденсатор – заряжаться через диодVD₁. Таким образом, пока напряжениеU_вхрастет, петля обратной связи ОУА₁замкнута через диодVD₁и напряжение на конденсатореСотслеживает входное. Как только входное напряжение начинает уменьшаться, ОУА₁ переходит в состояние отрицательного насыщения, поскольку цепь его обратной связи размыкается. КонденсаторСоказывается изолированным от выхода А₁и хранит установившееся на нем напряжение.

0

а б

Рис. 1.29. Простейшая схема пикового детектора: а– схема;б– эпюры входного и выходного напряжений

Рис. 1.30. Простой двухкаскадный пиковый детектор

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 Ссоединен со входами обоих ОУ. Поэтому для данной схемы целесообразно выбирать ОУ с полевыми вхо­дами, имеющие малые входные токи. Кроме того, входной сигнал про­ходит через два ОУ –А₁иА₂, и поэтому прихо­дится выбирать ОУ также с малыми входными напряжениями смещения.

Можно предложить несколько вариантов улучшения базовой схемы (рис. 1.30). В частности, на рис. 1.31 показан инверти­рующий пиковый детектор с усилением сигнала. Конденсатор разряжа­ется через резистор R₂на виртуальную землю – инвертирующий вход ОУА₁. Спад выходного напряжения в режиме хранения определяется экспоненциальным разрядом конденсатора с постоянной времениCR₂. Каскад на ОУА₁представляет собой однополупериодный выпрямитель. Отметим, что диод VD2 обеспечивает отрицательную обратную связь ОУА₁в режиме хранения. Это предот­вращает насыщение усилителяА₁и значительно сокращает время пере­хода в режим отслеживания сигнала. ДиодVD₂ повышает быстродействие схемы.

Рис. 1.31. Инвертирующий пиковый детектор

На рис. 1.32 приведена схема пикового детектора с общей обратной связью. При работе этой схемы в режиме слежения диод VD₁ открыт и конденсаторСзаряжается до напряженияU_вх. Сигнал обратной связи поступает на ОУА₁с буферного ОУА₂. При снижении входного напряжения оно становится меньшеU_вых. В результате выходное напря­жениеА₁становится отрицательным, диодVD₁ закрывается и схема пере­ходит в режим хранения. Из-за наличия резистораR₁и диодаVD₂(сопротивление резистораR₁обычно составляет около 10 кОм), выходное напряжение ОУА₁ограничивается на уровне, меньшем выходного (хра­нимого) напряжения на величину прямого падения на диоде. Быстро­действие этой схемы ниже, чем у двухкаскадной, но она обладает лучшими параметрами по смещению и точности хра­нения.

Рис. 1.32. Пиковый детектор с общей обратной связью

В данной схеме к запоминающему конденсатору подсоединен только один вход ОУ, поэтому влияние входных токов усилителей уменьшается, и скорость спада выходного напряжения оказывается меньше. Поскольку схема охвачена общей обратной связью с выхода на вход ОУ А₁, выход­ное смещение определяется только этим ОУ.

В заключение отметим, что можно построить быстродействующий пиковый детектор с длительным хранением, включая последовательно два каскада: с малым временем нарастания и малой скоростью спада (рис. 1.33, а).

Рис. 1.33. Разновидности пиковых детекторов: а– комбинированный быстродействующий детектор;б– детектор размаха

Наконец, можно построить детектор размаха, используя пиковый детектор, детектор минимума и дифференциальный усилитель (рис. 1.33, б).