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. 16).

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. 16 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.

а б

Рис. 16. Простейшая схема пикового детектора:
а – схема; б – эпюры входного и выходного напряжений

Простой двухкаскадный пиковый детектор изображен на рис. 17. В этой схеме ОУ А₁ заряжает конденсатор до пикового значения, а ОУ А₂ выполняет роль буферного повторителя. Когда входное напряжение пре­высит хранимое на конденсаторе С, тогда выходное напряжение ОУ А₁ начнет уве­личиваться, а конденсатор – заряжаться через диод VD₁. Таким образом, пока напряжение U_вх растет, петля обратной связи ОУ А₁ замкнута через диод VD₁ и напряжение на конденсаторе С отслеживает входное. Как только входное напряжение начинает уменьшаться, ОУ А₁ переходит в состояние отрицательного насыщения, поскольку цепь его обратной связи размыкается. Конденсатор С оказывается изолированным от выхода А₁ и хранит установившееся на нем напряжение.

Рис. 17. 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 С соединен 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 – А₁ и А₂, и поэтому прихо­дится выбирать ОУ также с малыми входными напряжениями смещения.

Можно предложить несколько вариантов улучшения базовой схемы
(рис. 17). В частности, на рис. 18 показан инвертирующий пиковый детектор с усилением сигнала. 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 CR₂. Каскад на ОУ А₁ представляет собой однополупериодный выпрямитель. 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 повышает быстродействие схемы.

Рис. 18. Инвертирующий пиковый детектор

На рис. 19 приведена схема пикового детектора с общей обратной связью. При работе этой схемы в режиме слежения диод VD₁ открыт и конденсатор С заряжается до напряжения U_вх. Сигнал обратной связи поступает на ОУ А₁ с буферного ОУ А₂. При снижении входного напряжения оно становится меньше U_вых. В результате выходное напря­жение А₁ становится отрицательным, диод VD₁ закрывается и схема пере­ходит в режим хранения. Из-за наличия резистора R₁ и диода VD₂ (сопротивление резистора R₁ обычно составляет около 10 кОм), выходное напряжение ОУ А₁ ограничивается 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. 19. 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. 20, а).

Рис. 20. Разновидности пиковых детекторов:

а – комбинированный быстродействующий детектор; б – детектор размаха

Наконец, можно построить детектор размаха, используя пиковый детектор, детектор минимума и дифференциальный усилитель (рис. 20, б).