峰值检测电路

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峰值检测电路是一种电子电路,用于检测并保持输入信号的最大值或最小值。它是一种多功能电路,在电子、通信和信号处理等各个领域有着许多应用。

简单峰值检测电路

下图是一个由二极管和电容组成的简单峰值检测电路:

其工作原理是当输入信号从零开始增加时,因为二极管只允许电流单向流动,这会使电容充电,又因为电容无法通过二极管放电,它会保持输入信号的最大电压值。

上图是理想的峰值检测电路,实际上因为二极管有压降,实际检测到的峰值电压会有一个0.5V 左右的压降:

我们使用 1N4148 和 10uF 独石电容在面包上搭建的电路如下:

输入 1kHz 三角波信号时的波形:

从上图中可以看到二极管检测到的峰值(紫色) 1.44V 比实际峰值 2.03V 小了 0.6V 左右。

输入信号降至 10Hz 时有一点变形, 在 1 秒秒内放电约 0.4V:

可以通过增大电容来解决上述问题。

下面是二极管峰值检测电路优缺点。

优点:

  • 简单

缺点:

  • 因为二极管压降,检测出的峰值比实际峰值小 0.6V 左右。

  • 不适应于小信号峰值检测,输入信号赋值必须大于二极管压降。

运放峰值检测电路

简单的峰值检测电路由二极管和电阻组成, 但存在二极管压降的问题, 也不适用于小信号。

使用运算放大器可以解决上述缺点, 从而实现更理想的峰值检测:

理想运放负反馈运放电路两个输入引脚之间虚短,压差为零。

先来说一下运放分析的两个技巧:

  • 虚断:所有运放电路,从运放两个输入引脚流入到运放和从运放流出的的电流为零,好像是和运放断开一样。

  • 虚短:对于运放负反馈电路,运放会竭尽所能使两个输入引脚的压差为零,好像这两个引脚短路一样。

当运放正相输入引脚上的电压从零开始上升时,由于虚短,反相输入引脚上的电压将会和正相输入引脚的电压一致,反相引脚上的电压也开始从零上升。因为电容是和反相输入引脚连接到一起的,电容上的电压也开始从零上升。如果电容开始升压,因为续断,那么充电电流一定是从输出运放输出引脚而不是反相输入引脚流出的。这意味着二极管被打开了,尽管它由压降,单因为运放输出引脚比电容上的电压高一个二极管压降,所以电容上或者反相引脚上的电压和输入电压相等。

当输入电压开始下降时,情况会怎样呢?当输入电压开始下降时,运放会试图使输出跟随同相引脚电压,但实际上会导致这个二极管关闭,此时输出会继续下降,并通常会下降到最低电压(由负供电电压决定),直到二极管被反向偏置而关闭。因此,反相引脚上的电压现在只是电容上保存的电压,也就是输入信号的峰值电压。

下面是面包板上搭建好的电路:

输入同样的 1kHz 三角波时的波形图:

可以看到使用运放搭建的峰值检测电路检测到的峰值(黄色)和真实峰值电压差距极小。作为对比,紫色波形是二极管检测到的峰值,和峰值电压有一个二极管管压降。

当信号频率降至 1Hz 时的波形:

二极管检测的峰值变形严重,运放检测到的峰值只有轻微变形。

还是1kHz 频率,当输入信号峰值只有 1V 时,下图显示简单二极管峰值检测电路已经不起作用了,但是运放峰值检测电路依然坚挺:

总结

简单的峰值检测电路由二极管和电容组成, 但存在二极管压降的缺点, 不适用于小信号。

使用运算放大器可以克服这一缺点, 通过负反馈来消除二极管压降, 从而实现更理想的峰值检测。运算放大器峰值检测电路可以检测较小的信号,并跟踪输入信号的峰值,在信号下降时保持峰值电平,直到下一个峰值出现。

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