窄脉冲峰值保持电路分析及设计

第29卷第2期2014年4月光电技术应用ELECTRO-OPTICTECHNOLOGYAPPLICATIONVol.29，No.2April，2014在窄脉冲激光探测等方面，从探测器输出的脉冲信号宽度较窄，致使后续A/D采样电路无法准确读取信号的幅值电压。因此需要设计脉冲峰值保持电路，获取输入信号的峰值电压，并对该峰值电压进行一段时间的保持。峰值保持电路可以通过分立元件电路、集成和分立元件混合电路、专用芯片等设计方式实现。设计电路时需结合具体设计要求，选择合适的电路实现方式，设计指标要求对脉宽约20ns，脉冲峰值不大于2V的信号进行峰值保持探测。综合考虑电路设计难度、可靠性以及峰值保持效果等特点。文中选择使用宽带跨导放大器MAX436，实现对脉冲峰值电压的保持和探测。1峰值保持原理峰值保持电路常用放大器，主要有电压型和跨导型两种[1]。电压型峰值保持电路，主要由电压运算放大器A，检测二极管D，保持电容C和电压缓冲器B组成，如图1所示。跨导型峰值保持电路，主要由跨导放大器G，恒流源I，二极管D，保持电容C和电压缓冲器B组成，其组成图如图2所示。其工作原理都是在输出信号Vout小于输入信号Vin时，放大器（电压放大器A或跨导放大器G）对输·信号与信息处理·窄脉冲峰值保持电路分析及设计宋毅恒，孟凡斌（光电信息控制和安全技术重点实验室，河北三河065201）摘要：首先介绍了电压型和跨导型峰值保持电路的基本工作原理。利用Multisim9软件，对影响跨导型峰值保持电路精度的因素进行仿真分析，得出峰值保持电容的选取，对保持精度的影响较大。然后，给出电容容值选取的简化参考公式。最后通过实验，证明以MAX436为设计核心的跨导型峰值保持电路，具有较高的峰值保持精度。关键词：跨导放大器；峰值保持；Multisim仿真中图分类号：TN722.7文献标识码：A文章编号：1673-1255（2014）-02-0039-04AnalysisandDesignofPeakHoldingCircuitforNarrowPulseSONGYi-heng,MENGFan-bin(KeyLaboratoryofElectro-opticalInformationControlandSecurityTechnology,Sanhe065201,China)Abstract:Firstly,theoperationprinciplesofpeakholdingcircuitssuchasvoltageandtransconductancetypesareintroduced.Thefactorsinfluencingtheprecisionoftransconductancepeakholdingcircuitaresimulatedandan⁃alyzedbyMultisim9.Theaccuracyholdingisgreatlyinfluencedbythechoosingofpeakholdingcapacitance.Thenthesimplifiedreferenceformulaforchoosingthecapacitancevaluesisgiven.Finally,experimentsshowthatthetransconductancepeakholdingcircuitwithMAX436asdesigncorehashigherpeakholdingaccuracy.Keywords:transconductanceamplifier;peakholding;MultisimsimulationＡ＋－ＤＣVinBVout图1电压型峰值保持原理图收稿日期：2013-12-06作者简介：宋毅恒（1979-），男，甘肃秦州人，学士，工程师，主要研究方向为光电应用技术.入和输出之间的差值电压进行放大。输出的电压或电流经过二极管对保持电容C充电，B在电路中起到输出缓冲器作用；当B的输出电压大于输入信号时，放大器A或G的电压输出为反向，此时，二极管将截至，缓冲器B输出电压大小等于保持电容C两端的电压[2]。保持电容C两端的电压VC可由式（1）表示。其中，It为充电电流；T0为充电起始时刻；Tc为充电时长；C为充电电容值。VC=∫T0T0+TC(It/C)dt（1）电压型峰值保持电路It=A(Vi(t)-V0(t))/Z………………………（2）跨导型峰值保持电路It=G(Vi(t)-V0(t))/Z（3）其中，Vi(t)和V0(t)分别表示输入和输出电压信号幅值；A表示电压放大系数；G是跨导放大系数；Z为二极管及峰值保持电容的等效阻抗和。2电压型和跨导型峰值保持电路比较分析在电压型峰值保持电路中，电压放大器为第一级,信号从输入到反馈有一定的时间间隔，称为回路时间t1，所以在到达峰值时，电容上电压Vc会在这段时间内继续变化。因此，此过程势必产生过冲电压，过冲的幅值Vp可由式（4）求得[3]。VP=∫t0t0+t1A(Vi(t)-V0(t))/Zdt（4）式中，Vi(t)和V0(t)分别表示输入和输出电压信号幅值；A表示电压放大系数；Z为二极管及峰值保持电容的等效阻抗和。由于电压放大系数A通常比较大(约105)，在t1的大部分时间里输出为最大电流，使过冲较大且为非线性。另外从频域角度看，二极管D和电容C组成的网络有一个极点，同时运算放大器本身也有自己的一个极点，所以整个电路的通频带较低（一般小于10MHz）。因此，电压型峰值保持电路积分非线性大、动态范围小、响应速度较慢，对纳秒级窄脉宽信号的峰值保持显得有些力不从心。跨导运算放大器代替电压型运算放大器，即构成跨导型峰值保持电路。跨导运算放大器又称OTA，是将电压输入变为电流输出，并通过外加偏压来控制运算放大器的工作电流的大小，可以使其输出电流能在较大的范围内变化。如图2所示，恒流源I的作用是为跨导放大器提供静态回路。跨导峰值保持电路过冲Vp的大小为由式（5）求得。VP=∫t0t0+t1G(Vi(t)-V0(t))/Cdt（5）其中，G为跨导放大器的跨导系数，一般较小(约10-2)。当Vc达到峰值时，电流已趋于零，所以过冲会很小。分析该电路的频率响应，通过查阅文献知，跨导峰值保持电路只有一个极点[4]。另外，跨导型放大器的第一转折频率容易做到很高，输出阻抗极大(107Ω)，其输出电流可近似认为与负载无关。因此，跨导峰值保持电路具有通频带高、稳定性好的特点,适用于纳秒级快速信号的处理[5]。通过对大量文献的查阅和学习，最终选择利用跨导运算放大器MAX436，进行窄脉冲峰值保持电路的设计。3窄脉冲峰值保持电路的设计及分析MAX436是具有正差分高阻抗输入端的高速、宽带跨导运算放大器,是开环放大器[6]，能在不加任何反馈的情况下提供稳定而准确的电流增益。电流增益K为8%±2.5%。MA436在200MH带宽下具有850V/μs的转换速率，在输入0.5V阶跃电压时，输出电压的稳定时间达18ns。由于无反馈环路、转换速率高、稳定时间短，故输出电压的相移和延迟均极小[7]。MAX436具有完全对称的高阻抗差分输入端，输入阻抗高达800kΩ，在10MHz下的共模抑制比(CMRR)高达53dB。通过NI公司（加拿大图像交互技术公司）的Multisim9软件，对峰值保持进行仿真分析，如图3所示。取输入信号幅值Vin=1.5V，脉宽取为20ns，上升和下降沿各为5ns，通过双踪示波器，观测到的信号源输入波形和峰值保持输出波形如图4所示。将时间轴进一步放大，波形如图5所示。峰值保持电压滞后时间约为18ns，这与跨导运放MAX436需约18ns时间方能输出稳定电压的特性相一致；输出的峰值保持电压近似线性下降，无明显过冲。MAX436的11脚(ISET)是供用户设定最大输出电流和关闭功能的控制端。在该端与电源-电压端之VinＤGICBVout图2跨导型峰值保持原理图光电技术应用第29卷40间外接一只电阻RSET，改变RSET的取值即可控制IC内部的电流源，从而设定最大输出电流。当电源电压为±5V时，将RSET取为5.9kΩ，可以保证达到规定的标准性能，此时最大输出电流IOUT为±20mA。增大RSET的阻值可以减小最大输出电流和IC功耗；减小RSET的阻值，可增大输出电流，但要注意不得超过IC的额定功耗，以免烧坏IC。为验证RSET阻值对输出峰值保持电压的影响，RSET分别取4.9kΩ、5.9kΩ、6.9kΩ和7.9kΩ等不同数值，通过瞬态参数扫描分析结果如图6所示。RSET阻值大小，即电流源输出最大电流值，对峰值保持电路输出电压影响不大。同样利用瞬态参数扫描分析法，分析不同数值的保持电容，对信号峰值电压造成的影响。峰值保持电容C1取值分别为50pF、100pF、150pF、200pF和250pF，瞬态参数扫描分析结果如图7和图8所示，图7为时间轴放大图，图8为时间轴缩宋毅恒等:窄脉冲峰值保持电路分析及设计$9,rr2resistance=4900$9,rr2resistance=5900$9,rr2resistance=6900$9,rr2resistance=7900瞬态分析1.751.250.750.25-0.25电压/V332.4569p17.2612n34.1899n51.1186n68.0473n时间/s图6对RSET的瞬态参数扫描分析V20V1.5V20nsec100msec03R149.9Ω22356VCCVCC5V11214U1VS+IN+Z+Z-IN-IOUTISET1311R2455.9KΩVS-8710VSSMAX436ESDVSS-5VD26DIODE_VIRTUALU2OPAMP_3T_VIRTUALC1200pF0XSC1图3峰值保持仿真电路19A+-B+-ExtTrig+-图4峰值保持输出波形图图5放大的峰值保持波形图1.751.250.750.25-0.25电压/V2.3858n27.8639n58.1136n88.3636nv（g）.col.capalitance=5e-011v（g）.col.capalitance=1e-010v（g）.col.capalitance=1.5e-010v（g）.col.capalitance=2e-010v（g）.col.capalitance=2.5e-011时间/s图7C1瞬态参数扫描分析放大图第2期41小图。由图可知，电容容值对峰值保持电压大小有一定影响。峰值保持电容C1两端的电压Uc与输入信号脉宽tw、电容容值C1及MAX436的输出电流有关。通过对式（1）分析知，C1容值选取可通过如下式近似推导Qc=I×tWC1=Qc/Uc…………………………………（6）MAX436最大输出电流Imax为10mA，设输入信号脉宽为20ns，脉冲峰值为1.5V，可由上式求得电容值最大为200pF。即若实现对上述输入信号进行有效电压峰值保持，所选电容容值最大为200pF。保持输入脉冲参数不变，峰值保持电容C1分别取100pF、550pF和1nF，利用瞬态参数扫描分析法进行仿真，结果如图9所示。峰值保持电容分别为550pF和1nF时，由于输入信号脉宽较窄，充电时间短，电容并未充电完全，因此，电容两端电压远低于输入的脉冲峰值电压。保持电容C1越小，峰值保持电压上升沿时间越短，电压值越接近输入脉冲电压峰值；但由于容值越小，放电越快，所以，保持时间将会越短。保持电容对于电路精度具有很大影响，电容及其容值的选择应综合考虑下降误差、采样保持偏差、采样频率、精度等指标。电容两端在电压急剧变化时，可能产生电容值下降的现象，这是由于电容感应吸收引起的。现实电路设计中，峰值保持电容C1的数值，应根据具体需求进行选取。4峰值保持电路结果分析影响峰值电压保持精度的因素有很多[8]，如图3中的二极管D2。二极管在开断之间存在时间差，在时间差内将会有反向漏电流，反向漏电流的大小直接影响电路下垂速率；而且，二极管在正向导通期间，存在正向压降，正向压降的数值，也对保持电压产生影响。因此，