CN105306024B

CN105306024B - 一种峰值电压检测电路

Info

Publication number: CN105306024B
Application number: CN201510793002.5A
Authority: CN
Inventors: 陈光化; 马世伟; 李强; 禹荣; 彭文
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: CN105306024A

Abstract

本发明涉及一种峰值电压检测电路。该电路由一个运放、两个三极管、一个NMOS管，四个电阻和一个电容组成，且两个三极管封装在一个对管中，有相同的工作环境，比例放大电路中增加的三极管发射结电压补偿充放电电路中三极管的发射结电压，使峰值保持电容上的电压可以充到输入信号比例放大后的峰值，所以，该电路没有正向导通电压，可以检测毫伏级小信号；两个三极管工作在放大区，采用的三极管放大倍数较高，运放的输出电流很小，所以，可以选择输出电流较小的运放；电源直接通过三极管对峰值保持电容充电，采用的三极管集电极电流较大，所以，峰值保持电容可以选择较大的容值，从而可以直接连接后续数据采样电路而不必再增加一级运放作跟随器。

Description

一种峰值电压检测电路

技术领域

本发明涉及一种峰值电压检测电路，特别是检测精度达到毫伏数量级的小信号峰值电压检测电路。

背景技术

在一些工程实践中，传感器输出的脉冲信号宽度较窄，使后续数据采样电路无法准确采样信号的幅值电压，所以，需要设计脉冲峰值电压检测电路，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。峰值电压检测电路作为一种检测电压信号波形峰值的基本电路在数据采样方面有广泛应用，可以采用如图1所示电路方式实现。运放OP1充当跟随器，利用二极管单向导电性对输入信号进行峰值电压检测。当运放OP1的同相端输入电压大于反相端的电压，运放OP1就输出为高电平，二极管D1导通。此时，运放OP1相当于一个跟随器，其输出对峰值保持电容C1充电，直到C1上电压等于输入电压；当运放OP1的同相端输入电压小于反相端的电压，运放OP1输出为低电平，二极管D1截止，峰值保持电容C1上的电压保持不变。NMOS管Q1为复位开关，当复位信号P为低电平信号时，NMOS管截止，峰值信号可以被锁存在电容中；当复位信号P为高电平信号时，NMOS管导通，峰值保持电容C1放电，以便进行下次峰值保持。

但此电路在峰值电压检测精度上的影响因素较多：1、二极管D1在正向导通期间，存在正向导通电压(一般大于200mV))，当输入信号波形的正向峰值小于二极管D1的正向导通电压时，二极管将截止，此峰值电压检测电路不能工作，所以，此电路不能用于检测小信号波形的峰值。2、运放OP1的输出电流一般较小，这限制了峰值保持电容C1的容值不能过大。3、峰值保持电容C1的容值对峰值电压检测精度影响很大，如果峰值保持电容C1容值过小，二极管D1的反向漏电流，后续数据采样电路电流以及峰值保持电容C1本身的漏电流等使峰值保持电容C1的电压迅速下降；如果增加峰值保持电容C1容值，能够减小峰值保持电容C1的电压下降速度，但增加了响应时间。在实践中峰值保持电容C1一般取20nF左右，为了增加输出，减小峰值保持电容上保持电压的下降速率，后面再增加一级运放作跟随器。峰值电压检测电路的一种改进方式如图2所示，把二极管D1放在跟随器的反馈回路之中，虽然解决了二极管的正向导通问题，但其它问题仍然存在。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种电压幅值可达毫伏数量级的小信号峰值电压检测电路，该电路没有正向导通电压；可以选择输出电流较小的运放；可以驱动较大的峰值保持电容，从而可以直接供给后续数据采样电路电流，无需再增加一级运放作跟随器。

为了达到上述目的，本发明的构思是：本发明提出一种电压幅值可达毫伏数量级的小信号峰值电压检测电路，该电路由一个运放、两个三极管、一个NMOS管，四个电阻和一个电容组成，且两个三极管封装在一个对管中。在运放、三个电阻和一个三极管组成的比例放大电路中，利用三极管的“钳位”作用，使运放的输出电压在比例放大输入信号的基础上，增加一个三极管发射结电压。在另外一个三极管、电容、NMOS管和电阻组成的组成充放电电路中，利用运放的输出驱动该三极管，通过该三极管的发射极给峰值保持电容充电。NMOS管为复位开关，接复位脉冲对峰值保持电容进行放电。比例放大电路中增加的三极管发射结电压补偿充放电电路中三极管的发射结电压，且两个三极管封装在一个对管中，以减少温度的影响，使峰值保持电容上的电压可以充到输入信号比例放大后的峰值，所以，该电路没有正向导通电压，可以检测达毫伏数量级的小信号；两个三极管都工作在放大区，采用的三极管放大倍数非常高，运放的输出电流很小，所以，可以选择输出电流较小的运放；电源直接通过充放电电路中三极管对峰值保持电容充电，采用的三极管集电极电流较大，所以，峰值保持电容可以选择较大的容值，这样，峰值保持电容可以直接连接后续数据采样电路而不必再增加一级运放作跟随器。

本发明提出的实现上述方案的基本电路结构如图3所示，R1，R2，R3，OP1和T1组成放大电路。T2，C1，Q1，R4组成充放电电路。OP1的输出驱动T2给C1充电，Q1在复位脉冲控制下给C1放电。当OP1的同相输入端输入信号时，即使输入信号的幅值很小，根据运放的性质，R3与T1的连接点电压V_E为OP1同相输入V₊的比例放大。由于T1发射结的“钳位”作用，OP1的输出电压V_OP为V_E与T1发射结电压V_BE1的和。因为T2的基极连接在OP1的输出端，T2导通，电源通过T2对C1充电，直到C1上的电压V_O等于OP1的输出电压V_OP减去T2发射结电压V_BE2。由于T1和T2封装在同一对管中，V_BE1和V_BE2差别非常小，可以近似认为相等，也消除了温度的影响。所以，C1上的电压V_O充到了同相输入信号V₊比例放大后的峰值。当OP1的同相输入端输入信号减小时，R3与T1的连接点电压V_E减小，OP1的输出电压V_OP减小，使T2发射结反偏而截止，C1的峰值电压保持不变，即C1保持了先前检测到的输入信号比例放大后的峰值。Q1为复位开关，只有复位脉冲未到来，C1将保持此峰值不变。在此电路中，利用比例放大电路中增加的T1发射结电压补偿充电电路中T2的发射结电压，克服了前述电路中因为存在正向导通电压而不能检测小信号的缺陷。T1和T2工作在放大区，且放大倍数都超过150，OP1的输出电流很小，所以可以选择输出电流较小的运放。采用的T1和T2的带宽较宽，一般能够达到200MHz以上，电路的响应速度主要由OP1决定，同时，电源直接通过T2对电容C1充电，采用的T2集电极电流较大，超过100mA，所以，C1可以根据需要选择较大的容值，这样，C1可以直接连接后续数据采样电路而不必再增加一级运放作跟随器。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种峰值电压检测电路，包括一个运放OP1、封装在一个对管中两个三极管T1和T2，四个电阻R1，R2，R3，R4，一个电容C1，和一个NMOS管Q1，其特征在于在OP1，R1，R2，R3和T1组成的放大电路中，R1一端接地，一端接OP1的同相输入端，为输入信号提供对地回路；R2和R3的连接类似于运放的比例电路，R2的一端接地，另一端与R3的一端相连，并接到OP1的反向输入端，R3的另一端接到T1的发射极；T1的基极接OP1的输出端，集电极接电源；在T2，C1，Q1和R4组成的充放电电路中，T2的基极接OP1的输出端，集电极接电源，发射极接C1；C1的一端接地，另一端接到T2的发射极，输出峰值信号，同时接到Q1的漏极；Q1的源极接地，栅极通过R4接复位脉冲控制信号；所述OP1的同相输入端输入信号时，利用T1的“钳位”作用，使OP1的输出电压在比例放大输入信号的基础上，增加一个三极管发射结电压，以补偿充放电电路中T2的发射结电压，使C1上的电压可以充到OP1同相输入端输入信号比例放大后的峰值，而当OP1的同相输入端输入信号减小时，由于T2发射结反偏而截止，C1的峰值电压保持不变，所以，该电路没有正向导通电压，可以检测达毫伏数量级的小信号；T1和T2都工作在放大区，OP1的输出电流很小，所以，可以选择输出电流较小的运放；电源直接通过充放电电路中T2对C1充电，所以，C1可以选择较大的容值，这样，C1可以直接连接后续数据采样电路而不必再增加一级运放作跟随器。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、利用放大电路中三极管的“钳位”作用补偿充放电电路中三极管的发射结压降，使该电路没有正向导通电压，可以检测达毫伏数量级的小信号；

2、两个三极管封装在一个对管中，有相同的工作环境，减少了温度等对两个三极管发射结电压的影响；

3、两个三极管都工作在放大区，运放的输出电流很小，可以选择输出电流较小的运放；

4、峰值保持电容可以选择较大的容值，这样，可以直接连接后续数据采样电路而不必再增加一级运放作跟随器。

下面结合附图和实施例，对本发明的作详细的说明。

附图说明

图1是常用的峰值电压检测电路原理图。

图2是改进的峰值电压检测电路原理图。

图3是本发明的电压幅值可达毫伏数量级的小信号峰值电压检测电路原理图。

图4是电压幅值可达毫伏数量级的小信号峰值电压检测电路应用于压电陶瓷的峰值检测中。

图5是运放的输入信号和峰值保持电容的输出信号实测波形。

具体实施方法

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参加图3，本峰值电压检测电路包括一个运放OP1、封装在一个对管中两个三极管T1和T2，四个电阻R1，R2，R3，R4，一个电容C1，和一个NMOS管Q1，其特征在于：由OP1、R1、R2、R3和T1组成放大电路：R1一端接地，一端接OP1的同相输入端；R2的一端接地，另一端与R3的一端相连，并接到OP1的反向输入端，R3的另一端接到T1的发射极；T1的基极接OP1的输出端，集电极接电源；由T2、C1、Q1和R4组成充放电电路：T2的基极接OP1的输出端，集电极接电源，发射极接C1；C1的一端接地，另一端接到T2的发射极，输出峰值信号，同时接到Q1的漏极；Q1的源极接地，栅极通过R4接复位脉冲控制信号。

实施例二：

参见图3，本峰值电压检测电路包括四个电阻R1、R2、R3、R4，一个运放OP1，两个三极管T1、T2，一个电容C1和一个NMOS管Q1。T1和T2封装在一个对管中。根据运放的性质，当OP1的同相输入端输入信号时，R3与T1的连接点电压V_E为：

由于T1发射结的“钳位”作用，OP1的输出电压V_OP为V_E与T1发射结电压V_BE1的和，即：

因为T2的基极连接在OP1的输出端，T2导通，电源通过T2对C1充电，所以，C1上的电压V_O等于OP1的输出电压V_OP减去T2发射结电压V_BE2，即：

由于T1和T2封装在同一对管中，V_BE1和V_BE2差别非常小，可以近似认为相等，所以，C1上的电压V_O为:

即C1上的电压V_O充到了输入信号比例放大后的峰值。当OP1的同相输入端输入信号减小时，由于T2发射结反偏而截止，C1的峰值电压保持不变，所以，本发明设计的峰值电压检测电路没有正向导通电压，可以检测达毫伏数量级的小信号。

实施例三：

在工程中，常常用压电陶瓷来检测压力变化。当压力改变时，压电陶瓷输出脉冲信号。这个脉冲信号持续时间非常短，大约只有几十微秒，用常规的数据采样电路无法准确采样信号的幅值电压。采用本实施例二的峰值电压检测电路如图4所示，R1为510M欧姆，R2为1K欧姆，R3为2K欧姆，C1为220nF，C1的输出直接连接模数转换芯片AD7705，单片机PIC18F46K80通过SPI接口读取AD7705的采样数据，并根据AD7705采样情况控制Q1充放电。OP1的输入信号和C1的输出信号实测波形如图5所示，通道1是OP1的输入信号，通道2是C1的输出信号。从图5可以看出，持续时间只有几十微秒的输入信号被放大了约3倍，保持了近100毫秒，足够AD7705采样。尽管在AD7705采样的过程中，C1的电压稍微下降，但通过简单的计算可以获得准确的测量结果。所以，本发明没有正向导通电压，可以检测达毫伏数量级的小信号；可以直接连接后续数据采样电路而不必再增加一级运放作跟随器。

尽管本发明已经参考一些具体实施方式进行了描述，但本领域的普通技术人员将会理解可对本发明作出许多变形和改变而不偏离所附的权利要求及其等效所限定的本发明的精神或范围。

Claims

1.一种峰值电压检测电路，包括一个运放OP1、封装在一个对管中两个三极管T1和T2，四个电阻R1，R2，R3，R4，一个电容C1，和一个NMOS管Q1，其特征在于：由OP1、R1、R2、R3和T1组成放大电路：R1一端接地，一端接OP1的同相输入端；R2的一端接地，另一端与R3的一端相连，并接到OP1的反向输入端，R3的另一端接到T1的发射极；T1的基极接OP1的输出端，集电极接电源；由T2、C1、Q1和R4组成充放电电路：T2的基极接OP1的输出端，集电极接电源，发射极接C1；C1的一端接地，另一端接到T2的发射极，输出峰值信号，同时接到Q1的漏极；Q1的源极接地，栅极通过R4接复位脉冲控制信号。