CN1280637C - 快速采样与保持峰值检测器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测信号的峰值电平的电路，更具体地说，本发明涉及用于分析通常为任意波形的信号，具有高精度、高转换速率、非常短的保持时间以及失真小的快速保持与采样峰值检测器。该电路包括：比较器电路，包括两个信号输入和一个信号输出，其中输出信号取决于输入信号之间的差值；采样与保持电路，包括由所述输出信号控制的、用于进行采样的开关装置和用于保持该输出信号的保持装置；补偿电路，用于补偿所述比较器电路产生的、影响所述采样与保持电路的功能的剩余电流，包括用于镜像所述剩余电流的电流镜电路；以及卸载电路，包括用于控制所述采样与保持电路放电特性的恒定电流源。

Description

快速采样与保持峰值检测器电路

技术领域

本发明涉及一种用于检测信号的峰值电平的电路，更具体地说，本发明涉及用于分析通常为任意波型和波形的信号、具有高精度、高转换速率、非常短的保持时间以及失真小的快速采样与保持峰值检测器。

本发明基于第EP02360224.6号优先权专利申请，在此引用该专利申请供参考。

背景技术

峰值信号检测器众所周知，而且广泛用于电路设备。在模数变换器中，峰值检测器可以用作解调器，或者诊断工具。

为了提供峰值信号指示，已经建议了多种电路解决方案。其中包括：峰值包络检测器、采样与保持峰值检测器电路以及电平感测电路。已知的解决方案具有各种各样的局限性和缺点，包括大振幅工作范围和频率范围的局限性而且不能接近真实峰值电平进行检测。

需要一种在宽频率范围内，以高精度、高转换速率、非常短的保持时间而且失真小的接近真实峰值进行检测的峰值检测器。

最近，以高速率检测模拟信号并将它转换为数字信号的技术对于网络和多媒体非常重要。对于模数转换器，采样与保持峰值检测器电路必不可少。作为采样与保持峰值检测器电路的一种方法，是将高速开关电路与电压保持电容器组合在一起，用于捕获在短时隙内采样的模拟信号并保持它们的峰值。

对于仅处理数字信号的电路，以及用于光通信和光学互连的电路，对于用于磁存储器和半导体存储器的信号读出电路等，对于所有这些电路，其输入信号电平是变化的而且不清楚，所以重要的是要自动检测前置放大器的输入信号电平，以确定最佳工作点并使再现脉冲波形的失真降低到最小。

为了将失真降低到最小，采用了一种自动鉴别式波形再现电路，该电路检测输入脉冲信号的峰值电平，并使它降低到最小，以便始终利用脉冲信号的半个振幅鉴别脉冲信号，而不考虑输入脉冲信号电平的变化。

峰值检测器还用于进行信号监视。例如，检测信号输入损失(ILOS)的过程对于宽带设备非常重要。在此，通过检测没有峰值，峰值检测器用于指出是不是不存在信号。

总之，对于上述例子，采样与保持峰值检测器电路很重要。具体地说，希望用于处理具有任意波型的信号的电路，例如光学互连以响应短促脉冲串波形，而且，为了正确检测并保持第一输入脉冲的峰值，重要的是要以不低于纳秒的高速度进行响应。近来，特别需要尺寸应该较小的采样与保持峰值检测器电路，或者小型采样与保持峰值检测器电路，以便被插入没有任何外部电容器的IC。为了将采样与保持峰值检测器电路插入多信道阵列，还要求低功耗，而且要求与充电和放电电流有关的补偿技术。又一个要求是采样与保持特性的技术独立性以及温度和供电的独立性。

在第5,986,481号美国专利中，Kaminshi对如图1和图2所示的、已知现有技术的采样与保持峰值检测器电路的基本配置进行了描述。以下说明这两种电路的工作原理。在图1所示的电路中，脉冲输入到由晶体管T1和T2构成的差分放大器的输入端，将该输入脉冲与采样与保持峰值检测器电路的输出电压进行比较，如果对于Vee，输入脉冲的电压高于输出电压，则误差被放大，而且开关晶体管T3的基极电压升高。晶体管T3被接通，从而使得电压保持电容器C1开始放电。在晶体管T4的发射极跟随器电路的输出电压达到输入峰值电压时，晶体管T3的基极电压降低到切断流入晶体管T3的电流。如果保持输入脉冲的最高电压，直到该电流被切断，则电压保持电容器C1的放电电压就等于输入脉冲的峰值电压。

由于晶体管T4的泄漏峰值电流低，所以该电容器充电的时间常数大，而且其峰值电压被保持。

以下将更详细说明开关晶体管T3的工作过程。晶体管T3是双极型晶体管，并因此具有使电流相对于基极-发射极电压成指数关系流动的特性。在基极-发射极电压的振幅小时，动态阻抗高，注入电流小，而峰值过渡时间长。相反，在该振幅超过某个值时，阻抗显著降低，而且充电时间非常短，后果是，反馈被延迟，开关晶体管的切断同样被延迟，从而导致输出电压过冲。

因此，限制了使该电路正常工作的输入电压范围，而且难以扩大输入动态范围。如果输入电压太高，则流过晶体管的集电极电流可能超过容许范围，而且截止频率可能被降低，从而导致响应延迟。

图2示出一种可以在某种程度上排除上述缺点的电路。在图2所示的电路中，由利用PNP晶体管代替具有显著变化阻抗的NPN晶体管开关(图1所示)的电流输出放大器，利用与误差电压的振幅几乎成正比的电流对电压保持电容器C1进行充电。在图2所示的电路中，所要求的电源电压比图1所示电路要求的电源电压高，而且PNP晶体管应该能满足高速工作的要求。

然而，通常，PNP晶体管的带宽约为NPN晶体管带宽的十分之一，因此，图2所示的电路的主要问题是，不能满足高速工作的要求。

从理论上说，图1所示电路的问题是对开关晶体管输入电压的非线性、指数响应问题。然而，如果像在图2所示的电路中那样，运行NPN开关晶体管以对输入电压显示线性响应，就可以解决该问题。

为了线性运行原来具有显著非线性特性的元件，可以将大增益反馈放大器用于采样与保持峰值检测器电路。在这种情况下，通常存在的问题是，不能进行高速工作，因为大增益反馈中存在延迟，还存在大尺寸电路增加芯片面积并因此增加功耗的问题。

发明内容

本发明基于可定义匹配特性的理论，即利用放电电流补偿和规定的恒流源的可定义时间参数。

根据本发明的电路包括4个连接在一起的部分：比较器电路、采样与保持电路、补偿电路以及卸载电路。

根据本发明，用于在宽频范围内产生表示峰值电平信号的输出信号的电路包括比较器电路，该比较器电路位于第一控制输入端，用于接收任意输入信号，并提供固定基准信号，用于与存储在采样与保持电路内的充电装置两端的变化信号进行比较。该电路进一步包括：与该比较器相连用于控制对采样与保持电路进行充电的第一电流的开关以及用于补偿剩余电流的补偿电路。此外，该电路还包括用于控制放电特性的卸载电路。

根据本发明的采样与保持峰值检测器电路包括：比较器电路，包括两个信号输入和一个信号输出，其中输出信号取决于输入信号之间的差值；采样与保持电路，包括由所述输出信号控制的、用于进行采样的开关装置和用于保持该输出信号的保持装置；补偿电路，用于补偿所述比较器电路产生的、影响所述采样与保持电路的功能的剩余电流，包括用于镜像所述剩余电流的电流镜电路；以及卸载电路，包括用于控制所述采样与保持电路放电特性的恒定电流源。

卸载电路的恒流源可以是可调恒流源。此外，它还可以由多个可切换恒流源实现。可切换恒流源可以被传输门切换。

比较器电路是以差分逻辑实现的。此外，该比较器电路还可以包括电流开关和恒流源。差分逻辑是差分发射极耦合逻辑。

因此，本发明的目的和优点是提供一种用于分析通常为任意波形的信号、具有高精度、高转换速率、非常短的保持时间以及失真小的特别快速的保持与采样峰值检测器。

通过对附图和后面的说明进行研究，本发明的这些以及其他目的和优点对于本技术领域内的普通技术人员是清楚的。

附图说明

引入本发明说明书并作为本发明说明书一部分的附图示出本发明的当前优选实施例，而且附图与以上的一般说明以及以下对优选实施例所做的详细说明一起用于解释本发明原理。

图1是示出现有技术的采样与保持峰值检测器电路的一个例子的电路图；

图2是示出现有技术的采样与保持峰值检测器电路的另一个例子的电路图；

图3是示出根据本发明的采样与保持峰值检测器电路的电路图；

图4是示出根据本发明的采样与保持峰值检测器电路的一个例子的电路图；

图5是示出根据本发明的具有长保持时间的采样与保持峰值检测器电路的输出电压的示意图；

图6是示出根据本发明的具有短保持时间的采样与保持峰值检测器电路的输出电压的示意图。

具体实施方式

本技术领域内的普通技术人员明白，对本发明所做的以下说明仅是说明性的，而没有任何限制性意义。通过对所公开内容进行研究，熟练技术人员易于想出本发明的其他实施例。

图3示出根据本发明的采样与保持峰值检测器电路的电路原理图。该电路图由4部分组成：比较器“比较器电路”、采样与保持电路“采样与保持电路”、补偿电路“补偿电路”以及卸载电路“卸载电路”(unload circuit)。

比较器“比较器电路”包括：由两个双极型晶体管Q1和Q2实现的电流开关、两个电阻器R1和R2以及恒流源I0。

采样与保持电路“采样与保持电路”包括：充电电流源I1、电子开关SW以及电容Chold。

补偿电路“补偿电路”包括：由两个正沟道场效应晶体管(pFET)P1和P2以及双极型晶体管Q6实现的电流镜以及提供I0的一半电流的恒流源I2。

卸载电路“卸载电路”包括用于确定电容的放电(de-charge)电流的多个恒流源。

构成电压比较器的“比较器电路”将输入信号电压Vin与输出信号电压Vpeak进行比较。假定电容Chold未充电。如果Vin大于Vpeak，则电子开关SW闭合。其效果是，可切换电流源I1对电容Chold进行加载，并将提高输出电势，比较器将检测Vpeak是否已经达到Vin，并将释放电子开关SW。电压Vpeak保持由电容Chold存储。如果Vin大于Vpeak，则重复该过程。

晶体管Q2的基极电流和电容Chold确定了保持电压Vpeak的卸载特性(在电子开关SW断开情况下)。

“补偿电路”能够补偿用于放电(de-charge)电容Chold的晶体管Q2的基极电流。因此，晶体管Q6的基极电流被晶体管P1和P2镜像，用于对电容Chold的充电。如果P1与P2相同，而且如果Q2与Q6相同，恒流源I2提供一半的I0电流，则通过P2的电流与经由晶体管P1的晶体管Q6的基极电流相同。该补偿是必需的，因为，否则，Q2的基极电流将不受控制的卸载电容Chold，从而不能精确确定放电时间。

该卸载电路通过提供电流Iconst(1..n)的恒定电流源I3，精确确定电容Chold的放电。

图4示出根据本发明的采样与保持峰值检测器的详细电路图。详细示出电路原理图的4个部分：“比较器电路”、“采样与保持电路”、“补偿电路”以及“卸载电路”。

“比较器电路”包括用于确保实现比较器功能的双级双极型放大器。其效果是精度高，过冲低。第一级由晶体管Q1和Q2以及集电极电阻器R1和R2实现。晶体管Q10和电阻器R10用作放大器的电流源。第二级由晶体管Q7和Q8以及集电极电阻器R3和R4实现。晶体管Q15和电阻器R15构成第二级的电流源。两个放大器级通过发射极跟随器连接在一起。第一发射极跟随器对由晶体管Q3和Q4构成，电流源由晶体管Q11和电阻器R11及晶体管Q12和电阻器R12实现。第二发射极跟随器对由晶体管Q5和Q6以及相应的电流源构成，相应的电流源由晶体管Q13和电阻器R13以及晶体管Q14和电阻器R14构成。

“采样与保持电路”包括晶体管Q9和电容Chold。晶体管Q9用作由“比较器电路”的输出电压(Q7的集电极)触发的开关。利用双极型晶体管可以实现高转换速率。

“补偿电路”由电流镜P1和P2以及双极型晶体管Q2D实现，具有由Q10D和R10D构成的电流源。该电流源具有由Q10和R10构成的电流源的一半的电流值。这确保了可以利用流过晶体管Q2的基极的电流对电容Chold进行充电。

“卸载电路”包括多个电流源：Q23和R23、Q22和R22、Q20和R20。用于卸载严格确定的电容Chold的基准电流Iref确定电流源。用于选择卸载电流的开关可以由传输门晶体管实现。

图5示出利用小放电电流实现的，根据本发明的具有长保持时间的采样与保持峰值检测器电路的输出电压。峰值检测器在约7纳秒内达到输入信号的峰值，而且即使没有新的输入仍可以再保持该峰值10纳秒。

图6示出利用大放电电流实现的、根据本发明的具有短保持时间的采样与保持峰值检测器电路的输出电压。峰值检测器在约7纳秒内达到输入信号的峰值，但是，该输出电压当时立即降低。再经过10纳秒后，该输出电压从3.42V降低到低于3.40V。

变换实施例

尽管在此对本发明的当前优选实施例以及应用进行了说明和描述，但是，在本发明原理和实质范围内，可以对它们进行各种变化和修改，而且这些变化对于阅读了本说明书的本技术领域内的熟练技术人员是显而易见的。

例如，本发明可以应用于任何类型的晶体管技术和半导体技术。因此，本发明仅受所附权利要求所述的实质内容的限制。

Claims (7)

1.一种采样与保持峰值检测器电路，该电路包括：

比较器电路，包括两个信号输入和一个信号输出，其中输出信号取决于输入信号之间的差值；

采样与保持电路，包括由所述输出信号控制的、用于进行采样的开关装置和用于保持该输出信号的保持装置；

补偿电路，用于补偿所述比较器电路产生的、影响所述采样与保持电路的功能的剩余电流，包括用于镜像所述剩余电流的电流镜电路；以及

卸载电路，包括用于控制所述采样与保持电路放电特性的恒定电流源。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述恒流源是可调恒流源。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述可调恒流源是由多个可切换恒流源实现的。

4.根据权利要求3所述的电路，其中所述可切换恒流源可以被传输门切换。

5.根据权利要求1所述的电路，其中所述比较器电路是以差分逻辑实现的。

6.根据权利要求1所述的电路，其中所述比较器电路包括电流开关和恒流源。

7.根据权利要求5所述的电路，其中所述差分逻辑是差分发射极耦合逻辑。

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