CN202978864U

CN202978864U - 应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路

Info

Publication number: CN202978864U
Application number: CN 201220660830
Authority: CN
Inventors: 檀柏梅; 高振斌; 牛新环; 潘国峰
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2022-12-05

Abstract

本实用新型涉及一种应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，该电路至少由一对互补比较器，一组可选择的采样电容，多路选通控制开关，一个2-4译码器，一对电流镜和放电电流源连接组成。当输入信号大于输出信号的峰值时，通过二极管对输出端充电，根据输入信号频率大小来选择采样电容的大小，且多档可选，放电电流一直在很小的缓慢放电，以便时时追踪输入信号的大小，直到输出信号幅值稳定在输入信号峰值处。本实用新型电路设计合理，性能可靠，精度高；其检测速度可通过改变采样电容以满足实际需求，能驱动大电容负载，可消除纹波噪声的影响，同时应用于CMOS工艺的宽频系统中，响应时间快，检测范围大，具有良好的PVT特性，应用效果非常显著。

Description

应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路

技术领域

本实用新型涉及通信系统信号处理领域，特别涉及一种应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路。

背景技术

目前，峰值检测电路广泛应用于信息技术，模拟信号处理等领域的信号检测中，需要输出信号跟随输入信号的峰值变化而变化，这就要求输出结果要快速跟随输入信号的变化而变化，输入波形的峰值不断变化，要求检测每个峰值。输入波形的峰值一段时间内基本不变，要求在一定时间内检测出这个峰值，输出信号提供给下一级处理。

在低频信号下，峰值输出会产生大的纹波，可以通过增大采样电容，减小放电电流来抑制纹波，但这样在高频信号下，信号响应时间变慢，影响系统的工作，所以要想办法削平低频信号中的纹波，提高高频信号的响应时间，使峰值检测电路应用于宽频信号中。并且，为了使峰值检测电路能工作在CMOS工艺中，要求系统采用CMOS工艺来实现。

在传统的峰值检测电路中，往往存在以下不足之处，例如：电路的输出信号具有较大纹波噪声；检测范围较小，PVT特性较差；响应时间长，噪声大；检测信号幅值范围低。

因此，提供一种结构简单，设计合理，性能可靠，精度高的应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，是该领域技术人员需着手解决的问题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述的不足之处，提供一种结构简单、设计合理、性能可靠、精度高的应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路。

为实现上述目的本实用新型所采用的技术方案是：一种应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，其特征在于该电路至少由一对互补比较器，一组可选择的采样电容，多路选通控制开关，一个2-4译码器，一对电流镜和放电电流源连接组成；

其中，两个比较器的一个输入端分别接差分输入的输入信号，另一端直接接到峰值检测电路的输出端，输出接两个镜像电流源的栅控制端，相当于二极管的正极给电容充电；

电容组的上极板经过开关电路后接输出端，下极板接地，开关阵列由一个2-4译码器控制；

放电电路通过一电流源利用PMOS管镜像来实现，电流源提供nA级微小电流来减缓电荷放电。

本实用新型的有益效果是：本实用新型电路设计合理，性能可靠，精度高；其检测速度可通过改变采样电容以满足实际需求，能驱动大电容负载，可消除纹波噪声的影响，同时应用于CMOS工艺的宽频系统中，响应时间快，检测范围大，具有良好的PVT特性，应用效果非常显著。

附图说明

图1是传统的峰值检测电路基本原理图；

图2是传统电路的原理分析图；

图3是本实用新型峰值检测电路原理图；

图4是本实用新型比较器基本原理图；

图5是本实用新型CMOS开关基本原理图；

图6是本实用新型放电电流基准源原理图；

图7是本实用新型2-4译码器原理图；

图8是本实用新型在10K频段下双峰值检测的结果示意图；

图9是本实用新型在100K频段下双峰值检测的结果示意图；

图10是本实用新型在1M频段下双峰值检测的结果示意图；

图11是本实用新型在5M频段下双峰值检测的结果示意图；

图12是本实用新型在10M频段下双峰值检测的结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图和较佳的实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式、结构、特征详述如下：

首先，分析一下传统的峰值检测电路，如图1、图2所示，通常有一个比较器，一个二极管，一个采样电容，一个源跟随器和放电电流源组成。

图示分析得出，对电路精度影响的有上升电压与下降幅度。

当输入一个信号时，输出信号经历以下三个阶段：

第一阶段：电路转换阶段，如果输入值远大于最小检测电平。

第二阶段：电路工作在线性负反馈区，输出一直上升至输出等于输入端信号峰值(此时，增益很大)。

第三阶段：此时电流镜的漏电流对电容充电，MOS开关漏电流对电容放电，使得输出电压继续上升或下降，直到电流镜漏电流等于MOS开关相等，此时有个输出最终电压值。若检测峰值小于最终值,则有上升电压，若大于最终值,则有一个下降幅度。

检测精度，检测速度与检测范围的调节。

改变采样电容，电流源与MOS开关的宽长比将实现对精度与速度的调节。

改变输出电流大小与输入PMOS管宽长比，将实现最小检测电平与负载能力的调节。

以上电路主要是针对精度要求不高的情况，但是其不足很明显体现在以下几条：

（1）电路的输出信号具有较大纹波噪声。

（2）检测范围较小，PVT特性较差。

（3）响应时间长，噪声大。

（4）检测信号幅值范围低。

如图3所示，本实用新型电路设计的差分双峰值检测电路提供一种精度较高，检测速度可根据实际要求改变采样电容来改变，能驱动大电容负载，可以消除纹波噪声的影响，同时应用于CMOS工艺的宽频系统中，响应时间快，检测范围大，具有良好PVT特性的检测电路。

该电路至少由一对互补比较器，一组可选择的采样电容，多路选通控制开关，一个2-4译码器，一对电流镜和放电电流源连接组成。

峰值检测电路检测差分信号的正峰值，比较器均为五管差分结构，如图4所示，比较器的负极接输入信号，正极接峰值检测电路的输出，比较器的输出接电流镜（二极管的等效结构）。

所述比较器的输入对管应同时为NMOS或PMOS输入对管。

所述控制开关均为CMOS开关，原理图如图5所示，所设计的MOS开关在负载100p电容下开启速度只需要十几纳秒。

所述镜像电流源为与温度无关的nA级电流基准。

所述充电电容可以实现C0、C0+C1、C0+C2、C0+C3、C0+C1+C2、C0+C1+C3、C0+C2+C3、C0+C1+C2+C3容值可选。

所述电流镜采用NMOS镜像，实现二极管正向导通功能。

基本五管运放组成的比较器，两个比较器的一个输入端分别接差分输入的输入信号，另一端直接接到峰值检测电路的输出端，偏置电压由电流基准源电路产生。

比较器的输出端接PMOS管的栅源，通过镜像到另一个PMOS管，相当于用镜像电流源代替二极管来对输出端充电，电路较为稳定。

CMOS开关组上接输出端，下接采样电容，通过前方检测出输入信号的频率，用数字信号控制开关组的时序，针对于不同的频率接通不同容值的采样电容。采样电容越大，根据Q=C×V,放电越慢，所以适用于低频电路中，而高频电路则选用容值较小的采样电容，由此实现宽频电路设计的差分双峰值检测电路。

2-4译码器如图7所示，A0、A1为输入地址，B0、B1、B2、B3为输出地址，分别控制S0、S1、S2的开关，用基本的与非门和非门组成，结构简单，延迟很小。

电容组的上极板经过开关电路后接输出端，下极板不接共模电压而是直接接地，采样电容在存储交流成分的同时也存储了直流成分，电容两端也有了足够的压差使电容稳定。

放电电路用以时时开启的NMOS管实现，MOS管的栅极接基准源的输出，放电电路不能用开关控制选择放电，那样虽然可以提高精度，但不能实现时时跟踪检测的功能，即便能使实现，系统的建立时间和稳定性都无法保证。

本实用新型引进了一组容值大小可选择的电容阵列，通关过MOS开关控制采样电容大小，选择不同的容值可以改变建立时间，输出信号更准确。经过前端电路的分析，把输入信号频率从高到低依次分成八个频带f0，f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7。

2-4译码器控制MOS开关形成容值由低到高多项可选四组电容可组合8组容值可选的采样电容。如图3所示，当输入信号频率为最大值f0时，使开关S1、S2、S3断开，此时充电电容为最小值C0，当输入信号为第二高频率f1时，使开关S1、S2断开，S0关闭，此时充电电容为C0+C1，当输入信号为第三高频率f2时，使开关S0、S2断开，S1关闭，此时充电电容为C0+C2，当输入信号为第四高频率f3时，使开关S0、S1断开，S2关闭，此时充电电容为C0+C3，当输入信号为第五高频率f4时，使开关S2断开，S0、S1关闭，此时充电电容为C0+C1+C2，当输入信号为第六高频率f5时，使开关S1断开，S0、S2关闭，此时充电电容为C0+C1+C3，当输入信号为第七高频率f6时，使开关S0断开，S1、S2关闭，此时充电电容为C0+C2+C3，当输入信号为最低频率f7时，S0、 S1、S2都关闭，此时充电电容为C0+C1+C2+C3。

当检测到低频信号时f7时，控制开关选择C0+C1+C2+C3的容值，如果输入信号峰值高于输出信号，放电支路的电流远小于充电支路电流，比较器输出高电平，相当于二级管导通，从而使得电流镜复制到充电支路端的电路快速充电. 如果输入信号峰值低于输出信号，相当于二极管反偏截止，那么充电支路的电流将接近0，放电电路缓慢放电直到电路稳定。大的容值可以保证即使很低的信号输入也能使峰值维持一段时间不降下去。当检测到高频信号时f0时，控制开关选择C0的容值，小的容值可以保证即使很高的信号输入也能快速放电，时输出值跟踪输入信号峰值。

在该电路中，为了尽可能减小芯片面积，我们采用双层多晶硅电容，采样电容下极板直接接地，不接直流共模电压，让电路更加稳定。

比较器采用差分全对称结构，考虑到节省面积，在增益带宽足够的情况下采用了简单的五管运算放大器。

放电电路在这里必须要求很小，所以用带隙基准源来产生。基准源原理如图6所示，在这里使用了正温度系数电流与负温度系数电流相加的原理产生简单二阶补偿电路。输出电流IREF=V_BE1/R₂+V_BE/R₀，该电流源产生约几μA的电流，由于峰值检测器需要的泄放电流很小，所以基准源的输出电流缩小十几倍后，镜像到泄放电路中。

因为二极管本身有较大电容，电路中可能引入较大的电容馈通噪声。因此，电路采用了镜像电流源代替二极管实现，因为电流镜的正向输入电阻很小，电流镜的反向输入电阻很大。电路较为稳定，不易振荡。

图8-12是本实用新型在10K到10M各频段下双峰值检测的结果示意图。

总之，本实用新型设计的差分双峰值检测电路符合IC设计的方向，具有一定的实用新型价值，在不改变基本结构条件下内部参数还可以优化。

上述参照实施例对该应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路进行详细的描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本实用新型总体构思下的变化和修改，应属于本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，其特征在于该电路至少由一对互补比较器，一组可选择的采样电容，多路选通控制开关，一个2-4译码器，一对电流镜和放电电流源连接组成；

放电电路通过一放电电流源利用PMOS管镜像来实现，电流源提供nA级微小电流来减缓电荷放电。

2.根据权利要求1所述的应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，其特征在于峰值检测电路检测差分信号的正峰值，比较器为五管差分结构。

3.根据权利要求1所述的应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，其特征在于所述比较器的输入对管应同时为NMOS或PMOS输入对管。

4.根据权利要求1所述的应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，其特征在于所述控制开关均为CMOS开关。

5.根据权利要求1所述的应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，其特征在于所述镜像电流源为与温度无关的nA级电流基准。

6.根据权利要求1所述的应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，其特征在于所述采样电容可以实现C0、C0+C1、C0+C2、C0+C3、C0+C1+C2、C0+C1+C3、C0+C2+C3、C0+C1+C2+C3容值可选。

7.根据权利要求1所述的应用于宽频电路设计的差分双峰值检测电路，其特征在于所述电流镜采用NMOS镜像，实现二极管正向导通功能。