Table of Contents

Введение в Active Peak Hold Circuits

Захват максимального значения переходного сигнала с высокой точностью является повторяющейся задачей в электронном измерении и приборостроении. Независимо от того, анализируете ли вы сбой на рельсе электропитания, измеряете ли амплитуду пика импульса от фотоприемника или характеризуете оболочку РЧ-всплеска, вам нужна схема, которая может отслеживать быстро меняющееся напряжение и сохранять его наивысшую экскурсию для последующей обработки. Активные цепи удержания пика, построенные вокруг операционных усилителей (op amps), обеспечивают надежное, повторяемое и точное решение этой проблемы. Объединив точность активной обратной связи с функцией памяти пикового детектора накопителя, эти схемы преодолевают ограничения пассивных диодных конденсаторов, обеспечивая низкий сутулость, высокое входное сопротивление и быстрое время получения.

В этой статье представлено всеобъемлющее руководство по проектированию активных цепей пикового удержания с усилителями op. Мы охватываем фундаментальные принципы работы, сравниваем различные топологии, обсуждаем выбор компонентов и их размер и изучаем критические компромиссы, такие как скорость приобретения и скорость падения. Представлены практические примеры реализации и передовые методы, включая несколько механизмов захвата пика и автоматической перезагрузки, чтобы помочь вам интегрировать эти схемы в реальные системы измерения. На протяжении всего обсуждения мы ссылаемся на авторитетные ресурсы из Аналоговых устройств и Texas Instruments для более глубоких технических погружений. В конце концов, у вас будут знания для разработки схемы пикового удержания, адаптированной к вашим конкретным требованиям захвата переходного сигнала.

Принцип пикового обнаружения и удержания

Схема пикового удерживания выполняет две последовательные функции: обнаружение и хранение. Во время обнаружения схема непрерывно сравнивает мгновенное входное напряжение с сохраненным эталоном. Когда вход превышает эталон, схема обновляет элемент хранения - обычно конденсатор - на новый уровень ввода. Во время фазы удерживания конденсатор сохраняет пиковое напряжение, изолированное от входа и от нагрузки, которая считывает выход. Задача состоит в том, чтобы сделать переход от обнаружения, чтобы удерживать как быстро, так и точно, и поддерживать сохраненное напряжение с минимальным дрейфом через окно наблюдения.

В пассивной реализации диод и конденсатор образуют простой пиковый детектор. Диод заряжает конденсатор до пика входной формы волны, но падение диодного переднего напряжения (обычно 0,6—0,7 В для кремния) вводит системную ошибку, а обратная утечка диода вызывает сужение. Активные схемы устраняют ошибку падения диода, помещая диод внутрь петли обратной связи усилителя опоры, эффективно отменяя его пороговое напряжение. Дополнительно высокое входное импеданс усилителя оптики минимизирует нагрузку на источник сигнала, в то время как буферный усилитель опоры на выходе предотвращает нагрузку от разрядки конденсатора удержания.

Активный vs. пассивный пик: сравнительный взгляд

Перед погружением в конструкцию схемы поучительно сравнивать подходы активного и пассивного пикового удержания. Пассивные пиковые детекторы просты и недороги, но они страдают от нескольких недостатков: перепад напряжения диода ограничивает точность для сигналов низкого уровня, а выходное напряжение не может достичь истинного пика без компенсации. Кроме того, входное импеданс не является постоянным — он изменяется с уровнем сигнала — и время обратного восстановления диода может ограничивать высокоскоростную производительность.

Активные пиковые удерживающие цепи, напротив, используют операционные усилители для обеспечения почти идеальных характеристик диода. Оп-ампер повышает эффективный коэффициент усиления вокруг диода, уменьшая видимое падение вперед до уровней микровольта. Вводная стадия операционного усилителя представляет собой высокий и стабильный входной импеданс, как правило, десятки мегаом для типов ввода JFET и даже выше для типов ввода CMOS. Выходной буфер изолирует удерживающий конденсатор от схемы нисходящего потока, практически исключая нагруженный обрыв. Эти преимущества делают активные цепи предпочтительным выбором для точного приборостроения, сбора данных и автоматического испытательного оборудования (ATE), где точность и повторяемость имеют решающее значение.

Главная Op-Amp Peak Hold Topologies

Классическая конфигурация диода-капитара

Простейшая активная цепь пикового удержания помещает диод и конденсатор в путь обратной связи операционного усилителя. Входной сигнал приводит в движение неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходной сигнал операционного усилителя приводит в движение анод диода, катод которого подключен к удерживающему конденсатору, а также к инвертирующим входным сигналам для отрицательной обратной связи. При повышении входного напряжения выходной усилитель опоры увеличивается, перемежая диод и заряжая конденсатор до тех пор, пока напряжение на инвертируемом входе не совпадет с входным. При падении входного напряжения выходной усилитель опоры не упадет, обратное смягчая диод, а конденсатор сохраняет свое напряжение. Буферный усилитель опоры с высоким входным импедансом считывает напряжение конденсатора без его разрядки.

Эта топология проста, но имеет ограничения. Оп-ампер должен получать достаточно тока, чтобы быстро заряжать конденсатор, когда приходит новый пик, что требует адекватной скорости разряда и мощности выходного тока. Во время фазы удержания выход операционного усилителя переходит в насыщение вблизи отрицательной рельсы, а время его восстановления, когда появляется более высокий пик, может вводить задержку. Несмотря на эти проблемы, эта конфигурация хорошо работает для сигналов средней скорости (до десятков килогерц) с тщательным выбором компонентов.

Точный выпрямитель на основе пикового удержания

Для повышения точности точный выпрямитель может заменить простой диод. В этой топологии второй усилитель op выполнен в виде идеального полуволнового выпрямителя, причем диод помещается внутрь петли обратной связи. Выход выпрямителя прогоняет удерживающий конденсатор через резистор или непосредственно. Отзыв заставляет вывод выпрямителя следовать за входом точно во время фазы зарядки, практически устраняя падение диода. Конденсатор удержания видит напряжение, которое является именно входным пиком, минус только напряжение смещения усилителя op и любые токи утечки.

Точные схемы пикового удержания на основе выпрямителя обеспечивают значительно лучшую точность, чем классическая конфигурация, особенно для низкоуровневых сигналов, где падение диода будет большой долей пика. Они широко используются в прецизионных преобразователях переменного тока-DC, измерителях уровня звука и медицинском приборостроении. Однако добавленный усилитель оптики и сложность обратной связи увеличивают усилия по проектированию и могут снизить максимальную рабочую частоту из-за соображений стабильности петли.

Высокоскоростные трэк-энд-холдинг архитектуры

Для очень быстрых переходных сигналов — тех, у которых время подъема в наносекундном диапазоне — обычные схемы пикового удержания усилителя опа может быть слишком медленным. В этих случаях более уместна архитектура трек-и-холдинга (T/H). Схема T/H использует высокоскоростной переключатель (обычно JFET или аналоговый переключатель) последовательно с конденсатором удержания, управляемым компаратором. Компаратор контролирует вход по отношению к удерживаемому выходу; когда вход превышает выход, переключатель замыкается (режим трека), заряжая конденсатор для следования за входом. Когда вход опускается ниже вывода, компаратор открывает переключатель (режим удержания).

Современные интегрированные усилители T/H, такие как AD783 или AD9100 от Analog Devices, включают эти функции в единый пакет со временем приобретения до нескольких наносекунд. Дискретные реализации с использованием высокоскоростных компараторов (таких как LMH7322 от Texas Instruments) и RF-коммутаторы могут достигать ещё более высокой производительности для специализированных нужд. Компромиссом является повышенная сложность конструкции, энергопотребление и чувствительность к паразитной емкости и компоновке ПХБ.

Выбор и размер компонентов

Выбор правильных компонентов имеет важное значение для успешной активной конструкции пикового удержания. Ключевыми элементами являются усилитель op, конденсатор удержания, диод (если используется) и механизм сброса.

Критерии выбора Op-Amp

Оп-ампер, используемый на стадии обнаружения пика, должен иметь скорость разряда и полосу пропускания, адекватную для самого быстрого переходного момента, который вы ожидаете захватить. Как правило, полоса пропускания малого сигнала оп-ампера должна быть по меньшей мере в десять раз выше, чем у входного сигнала. Например, захват импульса 1 мкс (приблизительно 1 МГц полосы пропускания) требует усилителя с частотой разряда 10 МГц и частотой разряда 10 В/мкс или более для пикового выхода 5 В. JFET-входные усилители TL07x или OPA2134 предлагают высокое импеданс ввода и низкий ток смещения, что делает их подходящими для конструкций с умеренной скоростью. Для более высоких скоростей рассмотрим LMH6657 (200 МГц, 600 В/мкс)] (200 МГц, 800 В/мкс) из аналоговых устройств.

Удерживайте соображения по поводу конденсатора

Конденсатор удержания (C HOLD) является элементом памяти. Его значение определяет компромисс между временем приобретения и скоростью сбрасывания. Меньший конденсатор заряжается быстрее, позволяя цепи захватывать короткие переходные процессы, но он также быстрее сбрасывает из-за токов утечки. Более крупный конденсатор удерживает пик дольше, но требует большего тока от усилителя для зарядки. Типичные значения варьируются от 100 pF для сигналов наносекундного масштаба до 10 μF для низкочастотных применений. Выберите конденсатор с низким диэлектрическим поглощением (например, полипропилен, полистирол или C0G / NP0 керамика) для минимизации эффектов памяти. Для высокоточных измерений используйте конденсатор со спецификацией утечки - такой как тип пленки с низким утечкой - и подумайте, что входной ток смещения буферного усилителя также способствует сбрасыванию.

Диод и выбор коммутатора

В схемах, использующих диод для управления направлением, выберите быстро переключающийся диод с низкой обратной утечкой, такой как диод Шоттки (например, ]BAT54 или ]1N5711 . Диоды Шоттки имеют более низкое падение переднего напряжения (около 0,3 В), чем стандартные кремниевые диоды, что снижает нагрузку на контур обратной связи усилителя опоры. Для высоковольтных конструкций используйте диод быстрого восстановления с соответствующим рейтингом напряжения. Если вы используете архитектуру трека и удержания с дискретным переключателем, выберите аналоговый переключатель с низким сопротивлением, низким впрыском заряда и высокой выделкой, такой как ADG1419 или TS12A12511 .

Дизайн торговых операций и оптимизация производительности

Каждая цепь пикового удержания включает в себя фундаментальные компромиссы, которые вы должны выполнить в соответствии с требованиями приложения.

Снижаем ставку и утечку

Понижение - это постепенное распад удерживаемого напряжения из-за токов утечки из трюмного конденсатора, тока смещения входа буферного усилителя и обратной утечки любых защитных диодов. Скорость понижания (в V/s) задается I LEAK/C HOLD. Для уменьшения понижания можно увеличить C HOLD (за счет более длительного времени приобретения) или минимизировать утечку. Использование буферного усилителя JFET или CMOS с током смещения ввода в пикоамповом диапазоне имеет важное значение. Также физически охранять узел конденсатора удержания, окружая его приводным экраном с тем же потенциалом минимизировать утечку поверхности ПХБ.

Время приобретения vs. Overshoot

Время приобретения - это интервал от момента появления нового пика на входе до момента, когда конденсатор удержания оседает в пределах заданной полосы ошибок вокруг этого пика. Меньший конденсатор и более высокий ток зарядки сокращают время приобретения. Однако агрессивная зарядка конденсатора через усилитель операции может вызвать перерасход, что затем требует времени отсеивания. Добавление небольшого резистора серии (10-100 Ω) между диодом и конденсатором может ослабить переходный заряд и уменьшить перерасход за счет немного более длительного приобретения. В прецизионных приложениях компромисс между скоростью приобретения и точностью отсеивания неизбежен.

Ограничения на скорость и скорость утопления

Конечная полоса пропускания и скорость разряда усилителя op создают задержку между входом и удерживаемым выходом. Для синусоидального ввода пик выхода будет отставать от истинного пика ввода на величину, связанную с сдвигом фазы через усилитель op. Для импульсов ограниченная скорость разряда означает, что усилитель op не может мгновенно заряжать конденсатор, поэтому удерживаемый пик будет ниже истинного пика, если импульс очень короткий. Для смягчения этого, переоценить полосу пропускания и скорость разряда op amp в три-пять раз относительно самого быстрого входного переходного момента.

Пример практического осуществления

Описание схемы

Рассмотрим практическую конструкцию, нацеленную на пиковый импульс 10 В со временем подъема 1 мкс. В схеме используется классический активный пиковый трюм с диодом Шоттки. Входной усилитель является OPA2134 (8 МГц, 20 В/мкс, вход JFET) сконфигурированным в качестве последователя напряжения с диодом в пути обратной связи. Конденсатор удержания представляет собой 1 нФ (C0G керамика), что дает разумный компромисс между получением и падением. Буфер представляет собой вторую стадию вывода OPA2134 по рельсу-рельсу. Переключатель сброса (N-канал JFET, такой как J201) соединен через C HOLD и приводится в действие цифровым сигналом для разрядки конденсатора между измерениями.

В работе, когда на вход поступает положительный импульс, выход OPA2134 быстро повышается, перемежая вперед диод Шоттки (BAT54) и заряжая конденсатор 1 нФ. Напряжение на инвертируемом входе следует за входом. После прохождения импульсного пика диодная обратная биаза и буферный усилитель op представляет удерживаемое напряжение на выходе с незначительной нагрузкой. Скорость падения, в которой доминирует ток смещения входа OPA2134 (5 рА типичный), составляет приблизительно I/C = 5 рА / 1 нФ = 5 мВ/с, что приемлемо для времени удержания 100 мс. Время приобретения для 10-В шага примерно (C * ΔV) / I CHARGE. С OPA2134, способным заряжать 25 мА, зарядка 1 нФ на 10 В занимает около 0,4 мкс, плюс небольшое время оседания.

Моделирование и измерение Insights

Моделирование SPICE этой схемы показывает, что удерживаемый выход захватывает 99,9% истинного пика в пределах 2 мкс для импульса времени подъема 1 мкс. Падение более 100 мс составляет 0,5 мВ, что согласуется с расчетом утечки. Измерение на прототипе с использованием двухслойной ПХД с надлежащим заземлением и следами защиты вокруг узла конденсатора удержания дает аналогичные результаты. Основное расхождение между имитацией и измерением происходит от утечки поверхности ПХД, которая может добавить десятки пикампов тока, если плата не очищается тщательно. В средах с высокой влажностью конформное покрытие на узеле удержания резко улучшает производительность сбрасывания.

Передовые технологии

Многократный пик захвата

Некоторые приложения требуют захвата пиков следования импульсов или локальных максимумов формы волны. Одна цепь удержания пиков удерживает только глобальный максимум с момента последнего сброса. Для захвата нескольких пиков можно каскадировать пиковый удержание с помощью образца-и-удерживания и логического контроллера, который хранит каждый пик в последовательности. Альтернативно, использовать цифровой подход обнаружения пика: высокоскоростные ADC-образцы формы волны и программируемый в поле массив затвора (FPGA) или микроконтроллер выполняет поиск пика в программном обеспечении. Для решений аналогового домена массив с коммутируемым конденсатором может хранить несколько пиков, но сложность быстро увеличивается.

Механизмы сброса и автоматического сброса

Многие измерительные системы требуют, чтобы пиковое удерживание автоматически сбрасывалось после считывания. Общим методом является размещение JFET или аналогового переключателя параллельно с удерживающим конденсатором. Когда сигнал сброса идет высоко, переключатель включается, закорачивая конденсатор на землю (или на опорное напряжение) и разряжая его. После короткой задержки переключатель выключается, и цепь готова захватывать новый пик. Для автоматической работы схема таймера или микроконтроллер могут генерировать импульс сброса после каждого цикла измерения. Убедитесь, что переключатель имеет низкий выключатель, чтобы избежать дополнительного сужения во время фазы удерживания.

Дифференциальный пик Холд

В таких приложениях, как сбалансированная передача сигнала или датчик тока через шунтирующий резистор, может потребоваться захват пика дифференциального сигнала. В дифференциальной цепочке пикового удержания используются две идентичные стадии пикового удержания, одна для положительного сигнала и одна для отрицательного сигнала (или дифференциального усилителя, питающего один пиковый удержание). Выходом является разница между двумя пиками. Эта топология сохраняет отказ общего режима от фронтального усилителя, позволяя обнаруживать пики быстрых дифференциальных удержания пика. Высокоскоростные схемы дифференциального удержания пика используются в силовой электронике для измерения пиков напряжения в коммутационных устройствах и в медицинских ультразвуковых фронтальных концах для обнаружения оболочки.

Приложения в деталях

Активные цепи удержания пиков повсеместны в измерении и приборостроении. В осциллографах пиковое обнаружение и удержание используются для режима огибающей, где дисплей показывает максимальную и минимальную амплитуду сигнала с течением времени, что позволяет визуализировать редкие события. Автоматическое испытательное оборудование (ATE), схемы удержания пиков измеряют переходную реакцию испытываемых устройств, такую как пиковая мощность РЧ усилителя или перерасход на цифровой линии. тестирование питания удержания пика, они захватывают пиковую рябь напряжения и переходные сигналы во время нагрузочных стадий. Медицинские устройства, такие как дефибрилляторные анализаторы и мониторы пациентов, схемы удержания пиков захватывают амплитуду физиологических сигналов, таких как R-волны

Выбор топологии и значений компонентов зависит от характеристик сигнала: для аудио стандартно используется пиковый удержание на основе прецизионного выпрямителя с постоянной времени в десятки миллисекунд; для RF распространен высокоскоростной трек-и-стойкость с диодом Шоттки и небольшим конденсатором удержания (100 pF). Для подробных примеров проектирования обратитесь к примечанию приложения Analog Devices AN-71 , «Точный пиковый детектор» и отчету приложения Texas Instruments SBAA127 , «Концепции схемы пикового детектора».

Заключение

Активные цепи удержания пиков с использованием операционных усилителей обеспечивают гибкое, точное и повторяемое решение для захвата пиков переходного сигнала. Понимая основные принципы проектирования - размещение диода в петле обратной связи, выбор конденсатора и изоляция буфера - вы можете создавать схемы, которые достигают высокой точности в широком диапазоне скоростей и амплитуд сигнала. Компромиссы между временем приобретения, падением, перегрузкой и пропускной способностью должны управляться посредством тщательного выбора компонентов и компоновки схемы. Передовые методы, такие как автоперезагрузка, множественный захват пика и дифференциальный удержание пика, расширяют полезность этих цепей в специализированные области измерений. Независимо от того, разрабатываете ли вы настольные приборы, встроенные датчики или системы испытаний производства, активный удержание пика остается незаменимым строительным блоком. Для дальнейшего изучения, обратитесь к ссылкам с аналоговых устройств и Texas Instruments и прототип на чистой печатной плате с защитными следами для максимизации производительности. С помощью этих инструментов вы можете надежно захватить переходные события, которые имеют значение в ваших электронных конструкциях.