CN108809278A - 一种窄脉冲峰值采样保持电路 - Google Patents

一种窄脉冲峰值采样保持电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种窄脉冲峰值采样保持电路，窄脉冲IN由高精度峰检测模块探测，并经高精度峰检测模块控制的第一开关K1输入至A点，A点经第一电容接地，同时A点信号经总运放OP后输出电压OUT作为最终输出的采样保持电压；当高精度峰检测模块探测到窄脉冲IN的峰值电压后，控制第一开关K1断开，使峰值电压在A点得以保持。本发明通过局部负反馈预置比较器第二增益级静态工作点的方法，解决了传统峰保电路无法保持小幅度窄脉冲信号的峰值或保持峰值电压值较低的问题，保持的电压峰值损失更小。

Description

一种窄脉冲峰值采样保持电路
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。
背景技术
激光制导的高精度可大大提高战术武器的投掷准确性和命中率。在激光制导中，对探测器接收的回波信号处理是一个关键的技术环节。激光制导信号处理电路用来对光学探测组件输出的电学信号进行前期处理，完成对探测信号的识别、放大、保持和数字转换。当被探测目标距激光发射器较远时，则回波信号微弱，光电探测器输出的电信号也十分微弱，仅为ns量级的小幅值窄脉冲，高速AD也难以捕捉到窄脉冲的峰值，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，以方便后续处理。
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。但受限于标准CMOS工艺器件的性能，峰值保持电路芯片在响应窄脉冲信号的小幅值等方面很难与高性能的分立器电路相比。基于此，亟待解决的问题是如何利用现有的标准数字CMOS工艺研制出高性能的峰值保持电路芯片。
专利“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，因此适用范围极窄；专利“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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于标准CMOS工艺实现的单片集成窄脉冲峰值保持电路，通过局部负反馈预置比较器第二增益级静态工作点的方法，解决了传统峰保电路无法保持小幅度窄脉冲信号的峰值或保持峰值电压值较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，窄脉冲IN由高精度峰检测模块探测，并经高精度峰检测模块控制的第一开关K1输入至A点，A点经第一电容接地，同时A点信号经总运放OP后输出电压 OUT作为最终输出的采样保持电压；
当高精度峰检测模块探测到窄脉冲IN的峰值电压后，控制第一开关K1断开，使峰值电压在A点得以保持。
A点信号输入至总运放OP的同相输入端，运放OP的反相输入端经第一电阻R1接地，运放OP输出端经第二电阻R2反馈至运放OP的反相输入端；
总运放OP、第一电阻R1和第二电阻R2对A点电压进行补偿；总运放OP输出端的输出电压OUT作为最终输出的采样保持电压。
高精度峰值检测模块包括第一运放OP1、第二运放OP2、MOS管M0、第二电容C2、第三电容C3、第二开关K2、第三开关K3和第一与非门nand1、第二与非门nand2、第一反相器inv2和第一反相器；
第一运放OP1的同相输入端输入窄脉冲IN，第一运放OP1的反相输入端连接至A点，第一运放OP1的输出端经第二运放OP2连接至B点，B点和第一与非门nand1的其中一个输入端连接，B点同时经第二开关K2、第二电容C2反馈至第二运放OP2输入端，B点同时经第三开关K3与MOS管M0的栅极连接；MOS管M0的栅极同时经第三电容C3接地；MOS管M0的源极接地，MOS管M0的漏极连接至第一运放OP1的负电源端；第一与非门nand1的另一个输入端用于接受控制信号；
控制信号通过控制第二与非门nand2、第一反相器inv2和第一反相器分别输出对应的信号对应控制第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3的开合。
第一与非门nand1的输出端连接至第二与非门nand2的其中一个输入端，第二与非门nand2的另一个输入端输入控制信号，第二与非门nand2的输出端输出信号控制第一开关K1的开合。
控制信号输入至第一反相器inv2的输入端，第一反相器inv2的输出端输出信号控制第二开关K2的开合。
控制信号输入至第二反相器inv3的输入端，第二反相器inv3的输出端输出信号控制第三开关K3的开合。
当控制信号BM =0时，采保电路处于准备状态，第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3均闭合；第一运放OP1、第二运放OP2、第二电容C2、第二电容C3和MOS管M0构成带局部闭环反馈的开环比较器，使B点电压VB等于MOS管M0的阈值电压VTH。
当控制信号BM =1、窄脉冲IN未到来前，第二开关K2、第三开关K3断开；A和B点作为高阻抗节点，其对应的电压仍保持开关闭合时的电压值，即VA=VIN，VB=VTH，其中，VA为A点电压值，VB为B点电压值，VIN为窄脉冲IN电压，VTH为MOS管M0的阈值电压。
当控制信号BM =1、窄脉冲IN上升沿到来后，VIN>VA，B点电压VB由VTH开始升高，第一开关K1状态由0变为1，第一开关K1闭合；当VA＝VIN时，VB由高变低，第一开关K1状态由1变为0，第一开关 K1断开，直到VIN>VA；此过程如此反复，直到捕获到窄脉冲IN的峰值电压，第一开关K1保持断开，使峰值电压在A点得到保持。
本发明所达到的有益效果：
本发明通过局部负反馈预置比较器第二增益级静态工作点的方法，解决了传统峰保电路无法保持小幅度窄脉冲信号的峰值或保持峰值电压值较低的问题，保持的电压峰值损失更小。
附图说明
图1 窄脉冲峰值保持电路原理图；
图2 本发明的窄脉冲峰值保持电路。
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。
1.原理
本发明原理如图1所示：当高精度峰检测模块探测到窄脉冲IN的峰值后，控制开关K1断开，峰值电压在A点即运放OP的同相输入端得以保持；电容C1为片上保持电容，运放OP的同相输入端A点经电容C1接地。运放OP的反相输入端经电阻R1接地，运放OP输出端经电阻R2反馈至运放OP的反相输入端。
运放OP、电阻R1和R2对A点电压进行精确补偿，同时提供一定的电流驱动能力，运放OP输出端的输出电压 OUT为最终输出的采保电压。
如图2，高精度峰值检测模块由运放OP1、OP2、MOS管M0、电容C2、C3、开关K2、K3和与非门nand1、nand2、反相器inv2、inv3构成。
窄脉冲IN进入运放OP1的同相输入端，运放OP1的反相输入端与A点即运放OP的同相输出端连接，运放OP1的输出端与运放OP2的输入端连接，运放OP2的输出端B点和与非门nand1的其中一个输入端连接，运放OP2的输出端B点同时经开关K2、电容C2反馈至其输入端，同时经开关K3与MOS管M0的栅极连接；MOS管M0的栅极同时经电容C3接地；MOS管M0的源极接地，MOS管M0的漏极连接至运放OP1的负电源端。与非门nand1的另一输入端输入BM信号，与非门nand1的输出端连接至与非门nand2的其中一个输入端，与非门nand2的另一个输入端输入BM信号，与非门nand2的输出端输出信号控制开关K1的开合。BM信号还同时输入至反相器inv2、inv3，经反相器inv2、inv3的输出端输出信号分别控制开关K2、K3的开合。
2.工作模式
（1）当峰值保持的控制信号BM=0时，电路处于准备状态，K1=1,K2=1,K3=1 ,即开关K1,K2,K3闭合。此时，运放OP1、OP2、电容C2、C3和MOS管M0构成一个带局部闭环反馈的开环比较器。电容C2为频率补偿电容，电容C3为电荷存储电容。
其中，运放OP1为比较器的第一级，运放OP2为比较器的第二级。
传统开环比较结构中，没有电容C3和MOS管M0。在本发明中，只需置电容C3和MOS管M0于运放OP1的适当位置，则有VB=VTH。
其中，VB为B点电压，VTH为M0的阈值电压，其大小远远低于电源电压。
（2）当峰值保持的控制信号BM=1时，窄脉冲IN未到来前。K2=0,K3=0即开关K2,K3断开。此时电容C2所在的通路已经断开（电容C2所在的通路如果没有断开，则会影响后续的比较响应速度，因为它也是信号的通路之一），但因A和B点均为高阻抗节点，所以其对应的电压VA和VB仍为开关K2,K3闭合时的电压值，即VA=VIN，VB=VTH，其中，VIN为窄脉冲IN电压。而在传统开环比较结构中，VB＝0。
（3）当峰值保持的控制信号BM=1时，窄脉冲IN上升沿到来后，VIN>VA，VB电压由VTH开始升高，开关K1由0变为1，K1闭合。当VA＝VIN时，VB由高变低，开关K1由1变为0， K1断开，直到VIN>VA。此过程如此反复，直到捕获到窄脉冲IN的峰值，开关K1保持断开。因A点为高阻抗节点，没有泄放通路，峰值电压在A点保持。
（4）对于传统开环比较器，当峰值保持的控制信号BM=1时，IN上升沿到来后，VIN>VA，VB电压由0开始升高，K1由0变为1，K1闭合。与本发明相比，增加了响应时间；或者在同样的响应时间下，传统开环比较需要更大的峰值电压；在传统比较器结构中，只有当VA>VIN时，VB由高变低，开关K1由1变为0， K1断开。而本发明开关K1断开的时间相对提前，或者保持的电压峰值损失更小，因为在本发明中VA＝VIN时，VB开始由高变低。
（5）运放OP、电阻R1和R2对VA的电压进行精确补偿，并提供一定的驱动能力。
其中，V OUT 为最终输出的采保电压值；R 1 和R 2 分别为电阻R1和电阻R2的阻值。
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 (9)

1.一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，窄脉冲IN由高精度峰检测模块探测，并经高精度峰检测模块控制的第一开关K1输入至A点，A点经第一电容接地，同时A点信号经总运放OP后输出电压 OUT作为最终输出的采样保持电压；
当高精度峰检测模块探测到窄脉冲IN的峰值电压后，控制第一开关K1断开，使峰值电压在A点得以保持。
2.根据权利要求1所述的一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，A点信号输入至总运放OP的同相输入端，运放OP的反相输入端经第一电阻R1接地，运放OP输出端经第二电阻R2反馈至运放OP的反相输入端；
总运放OP、第一电阻R1和第二电阻R2对A点电压进行补偿；总运放OP输出端的输出电压OUT作为最终输出的采样保持电压。
3.根据权利要求1所述的一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，高精度峰值检测模块包括第一运放OP1、第二运放OP2、MOS管M0、第二电容C2、第三电容C3、第二开关K2、第三开关K3和第一与非门nand1、第二与非门nand2、第一反相器inv2和第一反相器；
第一运放OP1的同相输入端输入窄脉冲IN，第一运放OP1的反相输入端连接至A点，第一运放OP1的输出端经第二运放OP2连接至B点，B点和第一与非门nand1的其中一个输入端连接，B点同时经第二开关K2、第二电容C2反馈至第二运放OP2输入端，B点同时经第三开关K3与MOS管M0的栅极连接；MOS管M0的栅极同时经第三电容C3接地；MOS管M0的源极接地，MOS管M0的漏极连接至第一运放OP1的负电源端；第一与非门nand1的另一个输入端用于接受控制信号；
控制信号通过控制第二与非门nand2、第一反相器inv2和第一反相器分别输出对应的信号对应控制第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3的开合。
4.根据权利要求3所述的一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，第一与非门nand1的输出端连接至第二与非门nand2的其中一个输入端，第二与非门nand2的另一个输入端输入控制信号，第二与非门nand2的输出端输出信号控制第一开关K1的开合。
5.根据权利要求3所述的一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，控制信号输入至第一反相器inv2的输入端，第一反相器inv2的输出端输出信号控制第二开关K2的开合。
6.根据权利要求3所述的一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，控制信号输入至第二反相器inv3的输入端，第二反相器inv3的输出端输出信号控制第三开关K3的开合。
7.根据权利要求3所述的一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，当控制信号BM =0时，采保电路处于准备状态，第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3均闭合；第一运放OP1、第二运放OP2、第二电容C2、第二电容C3和MOS管M0构成带局部闭环反馈的开环比较器，使B点电压VB等于MOS管M0的阈值电压VTH。
8.根据权利要求3或7所述的一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，当控制信号BM=1、窄脉冲IN未到来前，第二开关K2、第三开关K3断开；A和B点作为高阻抗节点，其对应的电压仍保持开关闭合时的电压值，即VA=VIN，VB=VTH，其中，VA为A点电压值，VB为B点电压值，VIN为窄脉冲IN电压，VTH为MOS管M0的阈值电压。
9.根据权利要求8所述的一种窄脉冲峰值采样保持电路，其特征是，当控制信号BM =1、窄脉冲IN上升沿到来后，VIN>VA，B点电压VB由VTH开始升高，第一开关K1状态由0变为1，第一开关K1闭合；当VA＝VIN时，VB由高变低，第一开关K1状态由1变为0，第一开关 K1断开，直到VIN>VA；此过程如此反复，直到捕获到窄脉冲IN的峰值电压，第一开关K1保持断开，使峰值电压在A点得到保持。
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