窄脉冲信号峰值保持器

　　对ns级脉宽的窄脉冲信号,为方便使用常规的A/D器件进行采集和处理,须用高性能的峰值保持器把真实的峰值保持下来,要求峰值保持器有良好的线性和宽的通频带。传统的电压型峰值保持器的线性较差、通频带较小,而采用跨导型放大器,能有效提高电路的通频带,以响应快速变化的窄脉冲信号。本文采用跨导型峰值检测器,能对脉宽在ns级的脉冲进行检测,对20ns脉冲的动态检测范围大于40db,脉冲重频范围从单脉冲到kHz。在脉宽一定的条件下,总的误差不超过5%。结合复位电路、边沿检测电路和FPGA控制器,能在脉冲到来时产生信号启动AD,在AD转换结束以后对电路复位。

　　1　电路原理

　　1·1　电压型和跨导型峰值保持器的比较分析

　　峰值保持器是利用二极管的单向导电性和电容的存储作用构成的,当脉冲信号到来时,二极管D导通,电容器C被充电至脉冲峰值时,D截止,C上保持峰值电压。电路的基本原理图如图1所示。

　　对于电压型峰值保持电路,第一级放大器为电压放大,考虑到信号从输入到反馈有一定的时间,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,从而产生过冲,过冲Vp的大小为[1]:

　　式中Zd和Zc分别为二极管D和电容C的阻抗,A为运算放大器的开环放大倍数。由于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,而运算放大器本身也有极点,所以整个电路的通频带较低(一般小于10MHz)[2]。跨导型峰值保持器是利用跨导运算放大器(OTA)代替电压型的一般运算放大器。它将电压输入变为电流输出,对该电路有

　　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,所以基本无过冲。分析该电路的频率响应:

　　电路的转折频率ωT=g/c,可见这个电路只有一个极点。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。所以整个电路的通频带较高,且稳定性好,适于处理快信号。

　　1·2　影响峰值保持器结果的参数分析和器件选择

　　从上面的分析可以看出,为了能得到ns级脉宽的峰值,首先电路的转折频率需要大于脉冲信号的带宽。设脉冲信号上升时间tr,则信号的3dB带宽为

　　二极管选用肖特基二极管,肖特基二极管具有正向导通电压小、开关时间特别快、方向恢复时间短的特性,特别适合高频电路。

　　1·3　实际电路原理图