Introduction aux circuits de maintien actifs

La prise de la valeur maximale d'un signal transitoire à haute fidélité est un défi récurrent dans la mesure électronique et l'instrumentation. Que vous analysiez un problème sur un rail de puissance, mesuriez l'amplitude maximale d'une impulsion d'un photodétecteur ou caractérisiez l'enveloppe d'un éclatement RF, vous avez besoin d'un circuit qui peut suivre une tension en évolution rapide et stocker son excursion la plus élevée pour le traitement ultérieur.

Cet article fournit un guide complet pour concevoir des circuits de pointe actifs avec des amplis d'op. Nous couvrons les principes de fonctionnement fondamentaux, comparons diverses topologies, discutons de la sélection des composants et du dimensionnement, et examinons des compromis critiques tels que la vitesse d'acquisition par rapport au taux de droop. Des exemples pratiques de mise en œuvre et des techniques avancées, y compris de multiples mécanismes de capture de pics et de remise en marche automatique, sont présentés pour vous aider à intégrer ces circuits dans des systèmes de mesure du monde réel.

Le principe de la détection et de la rétention de pics

Pendant la détection, le circuit compare en permanence la tension instantanée d'entrée à une référence stockée. Lorsque l'entrée dépasse la référence, le circuit met à jour l'élément de stockage – généralement un condensateur – au nouveau niveau d'entrée. Pendant la phase de rétention, le condensateur conserve la tension de pointe, isolée de l'entrée et de la charge qui lit la sortie. Le défi est de faire la transition de la détection à la rétention rapide et précise, et de maintenir la tension stockée avec une dérive minimale sur la fenêtre d'observation.

Dans une implémentation passive, une diode et un condensateur forment un simple détecteur de pic. La diode charge le condensateur au pic de la forme d'onde d'entrée, mais la chute de tension vers l'avant de la diode (généralement 0,6–0,7 V pour le silicium) introduit une erreur systématique, et la fuite inverse de la diode provoque une fuite. Les circuits actifs éliminent l'erreur de chute de la diode en plaçant la diode dans la boucle de rétroaction d'un ampli op, annulant ainsi sa tension de seuil.

Maintenance active contre prise passive : vue comparative

Avant de plonger dans la conception du circuit, il est instructif de comparer les approches actives et passives de la pointe. Les détecteurs de pointe passifs sont simples et peu coûteux, mais ils souffrent de plusieurs inconvénients: la chute de tension vers l'avant de la diode limite la précision des signaux de basse altitude, et la tension de sortie ne peut pas atteindre le véritable pic sans compensation.

Les circuits actifs de pointe utilisent des amplis op pour fournir des caractéristiques de diodes presque idéales. L'ampli op stimule le gain effectif autour de la diode, réduisant la chute apparente vers l'avant aux niveaux microvolts. L'étape d'entrée de l'ampli op présente une impédance d'entrée élevée et stable, généralement des dizaines de mégaohms pour les types d'entrée JFET et encore plus pour les types d'entrée CMOS. Le tampon de sortie isole le condensateur de cale des circuits aval, éliminant virtuellement la traînée induite par la charge.

Topologies de base de la prise de pic Op-Amp

La configuration classique de la diode-capacitatrice

Le circuit de maintien de crête le plus simple place une diode et un condensateur dans le chemin de rétroaction d'un ampli op. Le signal d'entrée entraîne l'entrée non-invertante de l'amp. La sortie op amp entraîne l'anode d'une diode, dont la cathode est connectée au condensateur de maintien et aussi à l'entrée inverse pour une rétroaction négative. Lorsque la tension d'entrée augmente, la sortie op amp augmente, en faisant une dialyse vers l'avant et en chargeant le condensateur jusqu'à ce que la tension à l'entrée inverse corresponde à l'entrée. Lorsque l'entrée tombe, la sortie op amp oscille bas, en faisant une diagonale inverse, et le condensateur conserve sa tension.

Cette topologie est simple, mais elle a des limites. L'amplificateur doit être suffisamment courant pour charger le condensateur rapidement lorsqu'un nouveau pic arrive, ce qui exige une vitesse de rotation et une capacité de courant de sortie adéquates. Pendant la phase de maintien, la sortie de l'amplificateur op va en saturation près du rail négatif, et son temps de récupération quand un pic plus élevé apparaît peut introduire un retard.

Ponction de précision basée sur le redresseur

Pour améliorer la précision, un correcteur de précision peut remplacer la diode simple. Dans cette topologie, un second ampli op est configuré comme un rectificateur à demi-onde idéal, la diode étant placée dans la boucle de rétroaction. La sortie du rectificateur entraîne le condensateur de cale à travers une résistance ou directement. La rétroaction force la sortie rectificateur à suivre l'entrée exactement pendant la phase de charge, éliminant virtuellement la chute de diode. Le condensateur de cale voit une tension qui est exactement le pic d'entrée, moins seulement la tension offset op amp et les courants de fuite.

Les circuits de maintien de crête basés sur la rectification de précision offrent une précision significativement plus élevée que la configuration classique, en particulier pour les signaux de faible niveau où une chute de diode serait une grande fraction du pic. Ils sont largement utilisés dans les convertisseurs de précision AC-à-DC, les compteurs de niveau audio et les instruments médicaux.

Architectures à grande vitesse sur piste et en attente

Pour les signaux transitoires très rapides, ceux qui ont des temps de montée dans la gamme nanoseconde, les circuits de pointe classiques de l'ampop peuvent être trop lents. Dans ces cas, une architecture de track-and-hold (T/H) est plus appropriée. Un circuit T/H utilise un commutateur à grande vitesse (généralement un JFET ou un commutateur analogique) en série avec le condensateur de maintien, commandé par un comparateur. Le comparateur surveille l'entrée par rapport à la sortie retenue; lorsque l'entrée dépasse la sortie, le commutateur se ferme (mode piste), charge le condensateur pour suivre l'entrée. Lorsque l'entrée tombe sous la sortie, le comparateur ouvre le commutateur (mode de maintien).

Les amplificateurs T/H intégrés modernes, tels que les AD783 ou AD9100 des Appareils analogiques, intègrent ces fonctions dans un seul paquet avec des temps d'acquisition aussi bas que quelques nanosecondes. Des implémentations discrètes utilisant des comparateurs à grande vitesse (comme le LMH7322 des Instruments du Texas) et des commutateurs RF peuvent atteindre des performances encore plus élevées pour des besoins spécialisés.

Sélection et calibrage des composantes

Le choix des composants appropriés est essentiel pour une conception efficace de la cale active. Les éléments clés sont l'ampli op, le condensateur de cale, la diode (si utilisée) et le mécanisme de remise en marche.

Critères de sélection de l'op-amp

En règle générale, la bande passante à faible signal de l'ampli doit être au moins dix fois la plus haute composante de fréquence du signal d'entrée. Par exemple, la capture d'une impulsion de 1 μs (environ 1 MHz) nécessite un ampli d'op avec un produit à bande passante à gain d'au moins 10 MHz et un taux de déplacement de 10 V/μs ou plus pour une sortie maximale de 5 V. Les amplis d'opput JFET, tels que les TL07x ou , OPA2134 offrent une impédance d'entrée élevée et un courant de faible biais, les rendant adaptés aux vitesses plus élevées, considèrent que les LMH6657 [200 MHz, 600 V/μs] ou les types de courant utilisés pour les essais à vitesse modérée, les gaz de sortie de l'ampliant de l'optum doivent être de même puissance que les gaz de sortie de l'optumum (800 MHz).

Tenez compte des facteurs de capacité

Le condensateur de cale (C HOLD) est l'élément mémoire. Sa valeur détermine le compromis entre le temps d'acquisition et le taux de dragage. Un condensateur plus petit se charge plus rapidement, permettant au circuit de capturer de brèves transitoires, mais il s'enfonce aussi plus rapidement en raison des courants de fuite. Un condensateur plus grand tient le pic plus longtemps, mais nécessite plus de courant de l'ampiop à la charge. Les valeurs typiques vont de 100 pF pour les signaux nanosecondes à 10 μF pour les applications à basse fréquence.

Choix de la diode et de l'interrupteur

Dans les circuits utilisant une diode pour le contrôle de la direction, sélectionnez une diode à commutation rapide avec faible fuite inverse, comme une diode Schottky (p. ex., BAT54 ou 1N5711). Les diodes Schottky ont une baisse de tension vers l'avant inférieure (environ 0,3 V) à celle des diodes en silicium standard, ce qui réduit le fardeau de la boucle de rétroaction de l'ampli op. Pour les conceptions à haute tension, utilisez une diode de récupération rapide avec une cote de tension appropriée. Si vous utilisez une architecture de piste et de maintien avec un commutateur discret, choisissez un commutateur analogique avec faible résistance à l'utilisation, injection à faible charge et désisolation élevée, comme ADG1419] ou TS12A12511.

Échanges de conception et optimisation des performances

Chaque circuit de pointe implique des compromis fondamentaux que vous devez gérer pour répondre à vos exigences de demande.

Taux de fuite et taux de fuite

La dérive est la désintégration progressive de la tension de maintien en raison des courants de fuite du condensateur de cale, du courant de biais d'entrée de l'ampli tampon et de la fuite inverse de toute diode de protection. La vitesse de droop (en V/s) est donnée par I LEAK / C HOLD. Pour réduire le droop, vous pouvez augmenter C HOLD (au prix d'un plus long temps d'acquisition) ou minimiser les fuites.

Temps d'acquisition vs dépassement

Le temps d'acquisition est l'intervalle entre le moment où un nouveau pic apparaît à l'entrée et le moment où le condensateur de cale se situe dans une bande d'erreur spécifiée autour de ce pic. Un condensateur plus petit et un courant de charge plus élevé réduisent le temps d'acquisition. Cependant, charger agressivement le condensateur à travers l'ampli op peut causer un dépassement, ce qui nécessite alors un temps de dépose.

Limites de vitesse de la largeur de bande et du museau

Pour une entrée sinusoïdale, le pic de la sortie va retarder le véritable pic d'entrée d'une quantité liée au déplacement de phase à travers l'ampli op. Pour les impulsions, le taux de glissement limité signifie que l'amp. op ne peut pas charger instantanément le condensateur, de sorte que le pic maintenu sera inférieur au véritable pic si l'impulsion est très courte. Pour atténuer cela, surspécialiser la bande passante op amp et le taux de glissement par un facteur de trois à cinq par rapport au temps d'entrée le plus rapide.

Exemple pratique de mise en œuvre

Désignation du circuit

Considérez une conception pratique visant une impulsion de crête de 10 V avec un temps de montée de 1 μs. Le circuit utilise une prise de crête active classique avec une diode scotky. L'amplificateur op d'entrée est un OPA2134 (8 MHz, 20 V/μs, entrée JFET) configuré comme un suiveur de tension avec la diode dans le chemin de rétroaction. Le condensateur de cale est 1 nF (C0G céramique), ce qui donne un compromis raisonnable entre l'acquisition et le trempage. Le tampon est une deuxième étape de sortie de l'OPA2134 rail-rail. Un commutateur de remise (un JFET de canal N, tel que le J201[) est connecté à travers C HOLD et est entraîné par un signal numérique pour décharger le condensateur entre les mesures.

En fonctionnement, lorsqu'une impulsion positive arrive à l'entrée, la sortie OPA2134 augmente rapidement, en faisant une diagonale vers l'avant de la diode Schottky (BAT54) et en chargeant le condensateur 1 nF. La tension à l'entrée d'inversion suit l'entrée. Après le pic d'impulsion, la diode de biais inverse et l'ampli tampon présentent la tension maintenue à la sortie avec une charge négligeable. La vitesse de droop, dominée par le courant de biais d'entrée OPA2134 (5 pA typique), est d'environ I/C = 5 pA / 1 nF = 5 mV/s, ce qui est acceptable pour un temps de maintien de 100 ms. Le temps d'acquisition pour une étape de 10 V est d'environ (C * ΔV) / I CHARGE. Avec l'OPA2134 capable d'obtenir 25 mA, charger 1 nF par 10 V prend environ 0,4 μs, plus un petit temps de décantage.

Simulation et perspectives de mesure

Les simulations SPICE de ce circuit montrent que la sortie retenue capte 99,9 % du véritable pic à 2 μs pour une impulsion de montée de 1 μs. La traînée de plus de 100 ms est de 0,5 mV, ce qui correspond au calcul des fuites. La mesure sur un prototype utilisant un PCB à deux couches avec des traces de mise à la terre et de garde appropriées autour du nœud condensateur de cale donne des résultats similaires.

Techniques avancées

Capture de pics multiples

Pour capturer plusieurs pics, vous pouvez encaisser une cale avec un échantillon et une prise et un contrôleur logique qui stocke chaque pic en séquence. Sinon, utilisez une approche numérique de détection de pic : un ADC à grande vitesse échantillonne la forme d'onde et un tableau de portières programmables de terrain (FPGA) ou un microcontrôleur effectue la recherche de pics dans le logiciel. Pour les solutions analogiques-domaine, un tableau de condensateurs commutés peut stocker plusieurs pics, mais la complexité augmente rapidement.

Réinitialisation et remise en marche automatique des mécanismes

Une méthode courante est de placer un commutateur JFET ou analogique en parallèle avec le condensateur de maintien. Lorsque le signal de remise est élevé, le commutateur s'allume, raccourcit le condensateur pour le mettre au sol (ou à une tension de référence) et le décharge. Après un bref délai, le commutateur s'éteint et le circuit est prêt à capturer un nouveau pic. Pour un fonctionnement automatique, un circuit de minuterie ou un microcontrôleur peut générer l'impulsion de remise après chaque cycle de mesure.

Prise de force différentielle

Dans des applications telles que la transmission équilibrée du signal ou la détection du courant à travers une résistance à la chasse, vous pouvez avoir besoin de capturer le pic d'un signal différentiel. Un circuit de maintien de crête différentielle utilise deux stades de maintien de crête identiques, l'un pour le signal positif et l'autre pour le signal négatif (ou un amplificateur différentiel alimentant une seule prise de crête). La sortie est la différence entre les deux pics. Cette topologie préserve le rejet en mode commun de l'amplificateur frontal tout en permettant la détection de crête de transitoires différentiels rapides.

Demandes détaillées

Dans ] les appareils d'essai automatique (ATE)[, les circuits de maintien de crête mesurent la réponse transitoire des dispositifs en essai, comme la puissance maximale d'un amplificateur RF ou le dépassement sur une ligne numérique. Dans les circuits de maintien de crête capturent l'amplitude des signaux physiologiques comme les ondes R ou les ondes oxymétriques de impulsions. Dans les appareils médicaux[, comme les analyseurs de défibrillateurs et les moniteurs de patients, les circuits de maintien de crête capture capturent l'amplitude des signaux physiologiques comme les ondes R ou les formes d'onde oxymétrique de crête. Dans les appareils médicaux[, comme les analyseurs de défibrillateurs et les moniteurs de patients, les circuits de maintien de crête capture capturent l'amplitude des signaux physiologiques comme les ondes R d'ECG ou les formes d'onde oxymétrique de impulsion.

Le choix des valeurs de topologie et des composants dépend des caractéristiques du signal : pour l'audio, une cale de crête à correction de précision avec une constante de temps de dizaines de millisecondes est standard; pour RF, une piste et une cale à grande vitesse avec une diode Schottky et un petit condensateur de cale (100 pF), est courante. Pour des exemples de conception détaillés, voir la note d'application des appareils analogiques AN-71, «A Precision Peak Detector», et le rapport d'application des instruments Texas SBAA127, «Peak Detector Circuit Concepts».

Conclusion

En comprenant les principes de conception de base – placement de la bande de rétroaction, sélection des condensateurs et isolement des tampons – vous pouvez construire des circuits qui obtiennent une haute précision sur une large gamme de vitesses et d'amplitudes de signal. Les compromis entre le temps d'acquisition, le droop, le dépassement et la bande passante doivent être gérés par une sélection minutieuse des composants et une mise en page des circuits. Des techniques avancées telles que l'auto-reset, la capture de pic multiple et la fixation de pic différentiel étendent l'utilité de ces circuits dans des domaines de mesure spécialisés. Que vous conçoyiez des instruments de banc, des capteurs intégrés ou des systèmes d'essai de production, la fixation de pic actif demeure un bloc de construction indispensable. Pour plus d'informations, consultez les références des appareils Analog et des instruments Texas et le prototype sur un PCB propre avec des traces de garde pour maximiser les performances.