CN104022759B - 一种高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路，包括峰值探测电路、幅度补偿电路和时序控制电路；当峰值探测电路探测到窄脉冲信号IN的峰值后，控制与该信号连接的第二开关断开，使峰值在与第二开关连接的保持节点得以保持；幅度补偿电路对保持节点电压大小进行调整，输出最终的窄脉冲峰值保持电压。本发明的高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路采用标准CMOS工艺实现，通过电容耦合比较技术和幅度补偿技术实现了电路的大动态输入范围和高精度的采样保持电压，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、更具可靠性和使用的灵活性等优点。

Description

一种高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路

技术领域

本发明涉及一种模拟集成电路技术，尤其涉及单片集成的窄脉冲峰值保持电路，属于电路技术领域。

背景技术

激光探测系统中，当光信号功率较小时，光电探测器输出的电信号输出也比较小，有时甚至十分微弱，仅为ns量级的窄脉冲，高速AD也难以捕捉到窄脉冲的幅值，所以需要设计适合窄脉冲的峰值采样保持电路来展宽窄脉冲的幅值。目前的峰值保持电路大部分都是由分立器件搭建构成，虽然电路能够实现窄脉冲采保的高精度，但成本高，功耗大；且外围则为μF级别的大电容和肖特基二极管，电路体积大；同时，由分立器件搭建成的电路对布线和器件的选择要求很高以避免寄生和泄露对电路整体性能的影响。

采用大规模集成电路技术实现窄脉冲峰值保持电路芯片，可以缩小体积、降低功耗、提高抗干扰能力、增加可靠性和使用的灵活性等优点，具有极其重要的实际意义。

专利说明书“一种电压峰值监测电路及其工作方法”(CN101788598A)是一种基于CMOS工艺电压峰值检测电路，发明结构简单，功耗小，但其跟随管M6没有直流偏置，因此小信号采样保持受到了限制；专利说明书“脉冲峰值保持电路”(CN1452982A)提出了一种基于双极工艺实现的单片峰值保持电路，给采样管预置了一个偏置电流以解决采样死区问题，但偏置电阻R6同时也成了泄放电阻，导致保持时间偏短(只有几us)。另外，由于保持电容C2不宜太小，所以电路不宜集成，且不能对窄脉冲进行采样；专利说明书“互补金属氧化物半导体单片集成的峰值检测电路”(CN101271142A)实际上不能算是真正意义的峰值“检测”，它利用积分器将输入信号相移90度，然后检测积分信号的过零点，并推测此点就是输入信号的峰值点，这要求输入信号必须是严格的正弦信号，任何非正弦信号和非连续信号均不能检测。适用范围极窄；专利说明书“峰值采样保持电路，峰值采样保持方法及应用”(CN101615432A)将输入信号与采样电容上的信号(经跟随)直接进行比较，这要求比较器的响应时间与输入信号的宽度相比可忽略不计，因此不能对窄脉冲进行采样，只能在电源之类的低频场合应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，提供一种高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路，其特征是，包括峰值探测电路、幅度补偿电路和时序控制电路；

当峰值探测电路探测到窄脉冲输入信号的峰值后，控制与该输入信号连接的第二开关断开，使峰值在与第二开关K2连接的保持节点得以保持；幅度补偿电路对保持节点电压大小进行调整，输出最终的窄脉冲峰值保持电压。

峰值探测电路中，经第一电阻和第二电阻对输入信号分压后输入至第一运放的同相端，第一运放的输出端与反向端之间设置第一开关，第一运放的输出端连接至第一与非门的一输入端，第一与非门的输出端连接至第二与非门的一输入端，第一与非门的另一输入端、第二与非门的另一输入端、反相器的输入端均由控制端控制；第二与非门的输出端输出的信号控制第二开关K2的通断，反相器的输出端控制第一开关的通断；第二开关设置在输入信号与保持节点之间，保持节点经耦合电容连接至第一运放的反向端。保持节点同时经保持电容接地。

幅度补偿电路中包括对峰值探测电路探测的峰值进行相对精度补偿的电路和绝对精度补偿的电路。

幅度补偿电路中包括对峰值探测电路探测的峰值进行相对精度补偿的电路，相对精度补偿的电路中，第二运放同向端连接至保持节点，第二运放反相端与输出端之间由第三电阻和第四电阻分压。

幅度补偿电路中，由相对精度补偿的电路对峰值探测电路探测的峰值进行补偿后，再输入开关电容减法器实现对峰值进行绝对精度的补偿；

开关电容减法器由第三运放、第三开关、第四开关、第五开关和第三电容构成；第三运放的同相端连接至幅度补偿电路中第二运放的输出端，第三运放的反相端与输出端之间设置第四开关；第四开关两端并联一由第三电容和第五开关串联的电路，第三电容和第五开关的连接点经第三开关接地；第三运放的输出端输出为窄脉冲峰值保持电压。

由时序控制电路控制第三开关、第四开关、第五开关与控制端之间的时序；控制端上升沿与第三开关的下降沿具有第一延迟时间；第三开关的下降沿与第四开关的下降沿具有第二延迟时间；第四开关的下降沿与第五开关的上升沿具有第三延迟；控制端下降沿与第三开关的上升沿、第四开关的上升沿、第五开关的下降沿在同一时刻。

本发明所达到的有益效果：

本发明的高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路采用标准CMOS工艺实现，通过电容耦合比较技术和幅度补偿技术实现了电路的大动态输入范围和高精度的采样保持电压，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、更具可靠性和使用的灵活性等优点。

附图说明

图1是本发明的窄脉冲峰值保持电路原理图；

图2是本发明的高精度窄脉冲峰值保持电路；

图3是BM与开关K3、K4和K5的时序关系；

图4是峰值保持示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提出了一种基于标准CMOS工艺实现的高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路，通过电容耦合比较技术和幅度补偿技术实现了电路的大动态输入范围和高精度的采样保持电压。本发明原理如图1所示：当峰值探测电路探测到窄脉冲信号IN的峰值后，开关K2断开，峰值在保持节点A点得以保持；幅度补偿电路对A点电压大小进行调整，输出最终的窄脉冲峰值保持电压OUT。

1、电路组成

本发明的一较佳地具体电路实现如图2所示，电路主要由峰值探测电路、幅度补偿电路和时序控制电路组成：

(1)峰值探测电路：包括：电阻R1和R2、运放OP1、2个与非门W1、W2、1个反相器U1、开关K1和K2、耦合电容C1和保持电容C2。信号IN一路经电阻R1和R2分压后输入至运放OP1的同相端D，运放OP1的输出端与反向端B之间设置开关K1，运放OP1的输出端连接至第一与非门W1的一输入端，第一与非门W1的输出端连接至第二与非门W2的一输入端，第一与非门W1的另一输入端、第二与非门W2的另一输入端、反相器U1的输入端均由控制端BM控制。第二与非门W2的输出端输出的信号控制开关K2的通断，反相器U1的输出端控制开关K1的通断；信号IN另一路经开关K2连接至节点A点，节点A点经耦合电容C1连接至运放OP1的反向端B，较佳地，节点A点同时经保持电容C2接地。

(2)幅度补偿电路：包括：电阻R3和R4、运放OP2、运放OP3、开关K3、K4和K5、电容C3。

节点A点与运放OP2同向端连接，运放OP2反相端与输出端C之间由电阻R3和R4分压。由运放OP2与电阻R3和R4，实现峰值相对精度的补偿。

运放OP3、开关K3、K4和K5、电容C3构成开关电容减法器实现峰值绝对精度的补偿。运放OP2的输出端C连接至运放OP3的同相端，运放OP3的反相端与输出端之间设置开关K4；开关K4两端并联一由电容C3和开关K5串联的电路，电容C3和开关K5的连接点经开关K3接地。运放OP3的输出端输出为窄脉冲峰值保持电压OUT。

(3)时序控制电路：当控制端BM＝“1”时，电路对输入的窄脉冲进行峰值采保，模块产生的时序关系如图3所示。BM上升沿与开关K3的下降沿约为几个门延迟时间；开关K3的下降沿与开关K4的下降沿为几个门延迟时间；开关K4的下降沿与开关K5的上升沿约几个门延迟；因此，BM上升沿与开关K5的上升沿延迟时间非常小。BM下降沿与开关K3的上升沿、开关K4的上升沿、开关K5的下降沿在同一时刻。

2、发明原理

2.1峰值探测

(1)当BM＝“0”时，开关K1闭合，运放OP1做跟随器，其失调电压存储在电容C1。

(2)当BM＝“1”时，开关K1断开，运放OP1做比较器，产生数字控制逻辑控制开关K2的断开和闭合，完成峰值保持。

(3)采用电阻R1和R2的分压提高小信号的采保。当BM＝“1”时，输入信号IN分两路进入峰值采样保持电路。

第一路：信号IN经过电阻R1和R2的分压，进入到运算放大器OP1的同相端电压VD，此时运算放大器OP1作为比较器，输出高电平，开关K2闭合；

第二路：信号IN通过闭合的开关K2，经耦合电容C1耦合到OP1的反相端的电压VB，因为电压VB>VD，OP1输出低电平，开关K2断开。此时，输入信号没有低阻通路，窄脉冲电压在A点得以保持；一段时间后，当OP1的同相端电压VD再次大于OP1的反相端电压VB后，开关K2闭合，信号IN经过闭合的开关K2经电容C1耦合到OP1的反相端VB，再次与OP1同相端电压VD比较。如此反复，直到IN的峰值到来后，OP1的反相端电压VB恒大于同相端电压VD，开关K2保持断开，此时A点为高阻抗节点，输入窄脉冲信号IN的峰值在A点保持。

2.2幅度补偿

(1)由于电阻R1和R2分压及输入信号IN低电平可能非‘0’，所以A点电压VA并非输入窄脉冲信号IN的真实峰值。

(2)选择实现峰值相对精度的补偿，补偿后的电压为VC。

(3)运放OP3、开关K3、K4和K5、电容C3构成开关电容减法器实现峰值绝对精度的补偿。BM＝“0”时，开关K3闭合，开关K4闭合，开关K5断开，电容C3左极板电压V1，电容右极板电压0。BM＝“1”，开关K3先断开，开关K4断开，开关K5闭合。输入信号IN到来后，电容C3左极板电压V2，电容C3右极板电压由0变为V2-V1，此为最终输出的窄脉冲峰值保持电压，即OUT＝V2-V1，如图4所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路，其特征是，包括峰值探测电路、幅度补偿电路和时序控制电路；

当峰值探测电路探测到窄脉冲输入信号的峰值后，控制与该输入信号连接的第二开关K2断开，使峰值在与第二开关K2连接的保持节点得以保持；幅度补偿电路对保持节点电压大小进行调整，输出最终的窄脉冲峰值保持电压；

幅度补偿电路中包括对峰值探测电路探测的峰值进行相对精度补偿的电路，相对精度补偿的电路中，第二运放同向端连接至保持节点，第二运放反相端与输出端之间由第三电阻和第四电阻分压；

幅度补偿电路中，由相对精度补偿的电路对峰值探测电路探测的峰值进行补偿后，再输入开关电容减法器实现对峰值进行绝对精度的补偿；

开关电容减法器由第三运放、第三开关、第四开关、第五开关和第三电容构成；第三运放的同相端连接至幅度补偿电路中第二运放的输出端，第三运放的反相端与输出端之间设置第四开关；第四开关两端并联一由第三电容和第五开关串联的电路，第三电容和第五开关的连接点经第三开关接地；第三运放的输出端输出为窄脉冲峰值保持电压。

2.根据权利要求1所述的高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路，其特征是，峰值探测电路中，经第一电阻和第二电阻对输入信号分压后输入至第一运放的同相端，第一运放的输出端与反向端之间设置第一开关，第一运放的输出端连接至第一与非门的一输入端，第一与非门的输出端连接至第二与非门的一输入端，第一与非门的另一输入端、第二与非门的另一输入端、反相器的输入端均由控制端控制；第二与非门的输出端输出的信号控制第二开关K2的通断，反相器的输出端控制第一开关的通断；第二开关设置在输入信号与保持节点之间，保持节点经耦合电容连接至第一运放的反向端。

3.根据权利要求2所述的高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路，其特征是，由时序控制电路控制第三开关、第四开关、第五开关与控制端之间的时序；控制端上升沿与第三开关的下降沿具有第一延迟时间；第三开关的下降沿与第四开关的下降沿具有第二延迟时间；第四开关的下降沿与第五开关的上升沿具有第三延迟；控制端下降沿与第三开关的上升沿、第四开关的上升沿、第五开关的下降沿在同一时刻。

4.根据权利要求2所述的高精度单片集成窄脉冲峰值保持电路，其特征是，保持节点同时经保持电容接地。