Широкополосный пиковый детектор работает в широком диапазоне входных частот

На основе опубликованной ранее схемы [1] реализован прецизионный пиковый детектор с полосой пропускания до 15 или 30 МГц и более, в зависимости от максимального уровня входного сигнала конкретного приложения. Важнейшей особенностью этой схемы является сверхбыстрый компаратор, который обеспечивает высокую скорость нарастания и низкую задержку распространения, необходимые для данного приложения. В качестве компаратора в этой конструкции используется 7-наносекундное устройство AD8561 компании Analog Devices. Пиковый детектор обеспечивает точность в полосе частот от 100 Гц до 14 МГц при уровнях сигнала от 100 мВ пик-пик до 6 В пик-пик. При более высоких частотах максимально допустимый уровень входного сигнала снижается. Схема демонстрирует точность ±3% в большей части диапазона входных уровней. Кроме того, высокий входной импеданс детектора, представляющий собой параллельное соединение сопротивления порядка 100 кОм и емкости 3 пФ, во многих приложениях не оказывает существенной нагрузки на тестируемую схему; 3 пФ образуют импеданс 3.5 кОм на частоте 15 МГц.

Рисунок 1.	Для достижения высокой точности в широком диапазоне входных частот в этом прецизионном пиковом детекторе используется сверхбыстрый компаратор.

Как показано на Рисунке 1, выходной сигнал буфера с высоким входным импедансом, состоящего из микросхемы IC₁ и связанных с ней компонентов, подается на сверхбыстродействующий компаратор IC₃. Выходной сигнал буфера IC₁ поддерживается симметричным относительно 0 В благодаря действию операционного усилителя IC_2A и связанных с ним компонентов, которые измеряют уровень постоянного напряжения на выводе 6 IC₁, а затем подают напряжение коррекции на вывод 3 IC₁. Эта коррекция практически устраняет влияние входного напряжения смещения и входных токов смещения микросхемы IC₁. Элементы R₁, R₄ и C₁ обеспечивают небольшой подъем усиления по мере увеличения частоты до 25 МГц, а затем конденсатор C₅ начинает снижать усиление.

Входной сигнал имеет емкостную связь с входным буфером, поэтому для правильной работы схемы входной сигнал переменного тока должен иметь симметричную форму, например синусоидальную. Пиковое значение несимметричного сигнала смещается после прохождения через конденсатор C₂, в результате чего выходной сигнал пикового детектора будет неточным. Выходной уровень компаратора IC₃ становится высоким, когда входной сигнал на выводе 2 превышает величину постоянного напряжения на выводе 3. При этом запоминающий конденсатор C₁₉ заряжается через элементы R₁₇, D₄, D₅, D₆ и R₂₃. Когда напряжение на C₁₉ превышает пиковый уровень сигнала на выводе 2 микросхемы IC₃, поступление зарядных импульсов с выхода компаратора прекращается. В равновесном состоянии компаратор выдает выходные импульсы правильной амплитуды и ширины, чтобы поддерживать напряжение на C₁₉ примерно равным пиковому уровню входного сигнала. Высокое входное сопротивление постоянному току буфера IC_2B минимизирует разряд конденсатора C₁₉ в паузах между заряжающими импульсами.

Цепь, состоящая из элементов R₂₄, R₂₅ и C₂₀, фильтрует выходной сигнал постоянного тока и ослабляет его на 2.1%. Это ослабление необходимо в связи с тем, что выходной сигнал немного превышает фактический пиковый уровень входного сигнала на выводе 3 микросхемы IC₁. Схема, состоящая из микросхемы IC_2C и связанных с ней компонентов, обеспечивает новую функцию: повышение напряжения на выводе 14 IC_2C по мере увеличения напряжения на запоминающем конденсаторе C₁₉. Затем это повышенное напряжение подается на резистор R₁₆, что приводит к увеличению размаха напряжения в точке соединения резисторов R₁₆ и R₁₇ при увеличении заряда конденсатора C₁₉. Это, в свою очередь, увеличивает амплитуду импульсов на диоде D₄, а также обеспечивает относительную независимость тока заряда С₁₉ от напряжения на нем.

Диод D₁ не позволяет напряжению на выходе компаратора IC₃ превысить напряжение питания. Диод D₂ не дает добавочному напряжению достигать большого отрицательного уровня при запуске, что может стать причиной защелкивания схемы. Переключения компаратора и диода D₃ предотвращает защелкивание при больших положительных напряжениях. Эта схема не проявляет никаких признаков неустойчивости или тенденции к ней. Максимальный уровень входного сигнала 6 В пик-пик определяется допустимым синфазным входным напряжением компаратора AD8561. Напряжение питания входного буфера выбрано равным ±6.5 В, чтобы избежать возможности серьезной перегрузки компаратора.

Можно повысить точность схемы, заменив резистор R₄ 100-килоомным потенциометром, чтобы обеспечить регулировку выходного уровня, а регулировка смещения постоянной составляющей повысит точность при низких уровнях сигнала.

Таблица 1.

Результаты измерений для широкополосного пикового детектора

Частота (Гц) 50 100 200 500 1000 5к 10к 20к 50к 100к % ошибки (100 мВ пик-пик на входе) –0.8 4.2 6 1 0.8 1 0.2 0.4 –1 –1.2 % ошибки (400 мВ пик-пик на входе) –4.7 –1.4 0.9 1.9 2.2 2.8 2.8 3.7 3.8 3.4 % ошибки (1 В пик-пик на входе) –7 –4 –2.2 –0.6 –0.6 0 0.4 0.8 1.2 1.2 % ошибки (2 В пик-пик на входе) –6.4 –3.3 –1.4 –0.3 –0.3 –3.3 0.9 0.1 — 1.7 % ошибки (4 В пик-пик на входе) –6.1 –3.9 –2.1 –0.3 –0.1 0.5 0.6 1.1 1.7 1.6 % ошибки (6 В пик-пик на входе) –8.3 –5.2 –3.4 –1.9 –1.6 –1.5 –1.5 –1.5 — 0.2 Частота (Гц) 200к 500к 1М 2М 5М 10М 15М 20М 25М 30М % ошибки (100 мВ пик-пик на входе) –2.4 –2.6 –3 –3.4 –0.6 –2.4 1.6 4.2 4 3.8 % ошибки (400 мВ пик-пик на входе) 3.5 2.3 0.9 0.8 2.3 5.4 3.7 6.6 7.4 6.7 % ошибки (1 В пик-пик на входе) 0.4 0.2 –1 –1.2 3.4 2.6 3.8 2.8 0.6 –1.6 % ошибки (2 В пик-пик на входе) 1.5 –3.3 –0.8 –1 0.3 0.1 0.1 –1.2 –4.9 –10 % ошибки (4 В пик-пик на входе) 1.4 0.9 –0.2 –0.5 0.5 4 1.8 31.6 — — % ошибки (6 В пик-пик на входе) 0 –0.4 –1.1 –1.7 –0.1 –0.2 –13.3 –20.7 — —

Для проверки характеристик этой схемы использовался осциллограф с полосой пропускания 300 МГц, вследствие чего данные в Таблице 1 могут содержать некоторые ошибки измерений. Поэтому результаты в таблице следует воспринимать как иллюстрацию возможностей схемы, а не как точные данные. Эти данные – просто результат использования лучшего оборудования, имевшегося в наличии на момент проведения измерений.

Ссылка

1. Jim McLucas. Прецизионный пиковый детектор на обычных компонентах.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD8561
2. Datasheet Texas Instruments LM6171
3. Datasheet Texas Instruments TL084
4. Datasheet Vishay SD101A