RU2700327C1

RU2700327C1 - Peak detector with differential input

Info

Publication number: RU2700327C1
Application number: RU2018137385A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Иванович Гутников; Андрей Сергеевич Анашкин; Станислав Михайлович Крыжко; Геннадий Викторович Савельев; Роман Иванович Лисин
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-09-16

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for detection (isolation) of single short pulses against background of in-phase interference and electromagnetic interference, for example, in optoelectronics or for extraction of impact pulses with vibration background. Peak detector has a pulse signal source, a differential amplifier, a non-inverting voltage follower, first and second diodes, first and second capacitors, a power busbar, a resistor and a resistive voltage divider. Increase in speed and noise immunity from in-phase interference and electromagnetic pickup is achieved due to linear operating mode of differential amplifier, in which it does not have saturated states due to connected non-linear diode circuits in feedback. Increase in efficiency is also achieved by eliminating additionally time for unlocking of the first diode due to shift arranged thereon by a second diode, a resistor and a positive power bus in the circuit of the non-inverting input of zero offset of the differential amplifier; elimination of general feedback; reduction of capacity of the first capacitor due to introduction of positive power busbar into non-inverting voltage follower through the second capacitor increasing discharge time. Expansion of functional capabilities is achieved due to implementation of function of indication of circuit breakage of pulse signal source.

EFFECT: faster operation and noise immunity against in-phase and low-frequency differential interference, broader functional capabilities.

3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для детектирования (выделения) одиночных коротких импульсов на фоне синфазных помех и электромагнитных наводок, например, в оптоэлектронике или для выделения ударных импульсов на фоне вибрации.The invention relates to measuring technique and can be used to detect (highlight) single short pulses against a background of common mode noise and electromagnetic interference, for example, in optoelectronics or to isolate shock pulses against a background of vibration.

Известен пиковый детектор (см. А. Дж. Пейтон, В. Волш "Аналоговая электроника на операционных усилителях" М.: БИНОМ, 1994 г., стр. 289, рис. 11.13), содержащий источник импульсного сигнала, диод, конденсатор, резистор утечки (разряда), выход источника сигнала через диод подключен к первым выводам резистора и конденсатора, вторые выводы которых подключены к общей шине.A well-known peak detector (see A. J. Peyton, V. Walsh "Analog Electronics with Operational Amplifiers" M .: BINOM, 1994, p. 289, Fig. 11.13), containing a pulse signal source, diode, capacitor, resistor leakage (discharge), the output of the signal source through the diode is connected to the first terminals of the resistor and capacitor, the second terminals of which are connected to a common bus.

Недостатками известного пикового детектора являются:The disadvantages of the known peak detector are:

1. Низкое быстродействие из-за закрытого в исходном состоянии диода и необходимости дополнительного времени на его отпирание;1. Low performance due to the diode closed in the initial state and the need for additional time to unlock it;

2. Низкая помехозащищенность от синфазных помех и электромагнитных наводок из-за отсутствия мер защиты;2. Low noise immunity from common mode interference and electromagnetic interference due to the lack of protection measures;

3. Низкая температурная стабильность из-за не скомпенсированного по температуре диода;3. Low temperature stability due to the diode not compensated by temperature;

4. Высокое выходное сопротивление равное сопротивлению резистора утечки (разряда).4. High output resistance equal to the resistance of the leakage (discharge) resistor.

Известен пиковый детектор с дифференциальным входом (см. А. Дж. Пейтон, В. Волш "Аналоговая электроника на операционных усилителях" М.: БИНОМ, 1994 г., стр. 293, рис. 11.18 в), содержащий источник импульсного сигнала, выводы которого подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя соответственно. Дифференциальный усилитель выполнен на одном операционном усилителе. Инвертирующий вход смещения нуля дифференциального усилителя подключен к выходу неинвертирующего повторителя напряжения, который выполнен на другом операционном усилителе. Неинвертирующий вход смещения нуля дифференциального усилителя подключен к общей шине, выход дифференциального усилителя подключен к аноду первого диода, катод которого подключен к входу неинвертирующего повторителя напряжения и через конденсатор к общей шине. Инвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с анодом второго диода, катод соединен с выходом дифференциального усилителя.A well-known peak detector with a differential input (see A. J. Peyton, V. Walsh "Analog Electronics with Operational Amplifiers" M .: BINOM, 1994, p. 293, Fig. 11.18 c), containing a pulse signal source, conclusions which are connected to the inverting and non-inverting inputs of the differential amplifier, respectively. The differential amplifier is made on a single operational amplifier. The inverting input of the zero offset differential amplifier is connected to the output of a non-inverting voltage follower, which is made on another operational amplifier. The non-inverting input of the zero offset of the differential amplifier is connected to the common bus, the output of the differential amplifier is connected to the anode of the first diode, the cathode of which is connected to the input of the non-inverting voltage follower and through the capacitor to the common bus. The inverting input of the differential amplifier is connected to the anode of the second diode, the cathode is connected to the output of the differential amplifier.

Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбрано в качестве наиболее близкого аналога.This device is the closest in technical essence to the claimed invention and is selected as the closest analogue.

Недостатками данного пикового детектора:The disadvantages of this peak detector are:

1. Низкая помехозащищенность от синфазных помех и электромагнитных наводок из-за нелинейного режима работы дифференциального усилителя, вследствие включенного второго диода, являющегося нелинейной пороговой цепью.1. Low noise immunity from common-mode noise and electromagnetic interference due to the non-linear mode of operation of the differential amplifier, due to the included second diode, which is a non-linear threshold circuit.

2. Низкое быстродействие из-за, во-первых, необходимости дополнительного времени для отпирания первого диода, в некоторых случаях закрытого вторым диодом до напряжения -0,7 В, во-вторых, двухкаскадного включения с общей обратной связью, в-третьих, большой величины емкости "запоминающего" конденсатора.2. Low speed due to, firstly, the need for additional time to unlock the first diode, in some cases closed by a second diode to a voltage of -0.7 V, and secondly, two-stage switching with general feedback, and thirdly, a large the capacitance of the "storage" capacitor.

3. Отсутствие индикации обрыва цепи источника импульсного сигнала.3. Lack of indication of an open circuit of the pulse source.

4. Низкая надежность неинвертирующего повторителя напряжения из-за отсутствия резистора утечки (разряда), вследствие чего возможен его выход из строя.4. Low reliability of the non-inverting voltage follower due to the absence of a leakage resistor (discharge), as a result of which its failure is possible.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении быстродействия и помехозащищенности от синфазных и низкочастотных дифференциальных помех, а также расширении функциональных возможностей.The technical problem to be solved by the claimed invention is aimed at increasing the speed and noise immunity from in-phase and low-frequency differential interference, as well as expanding the functionality.

Техническими результатами, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, являются повышение быстродействия, повышение помехозащищенности от синфазных и низкочастотных дифференциальных помех, а также расширение функциональных возможностей.The technical results to which the claimed invention is directed are improving performance, increasing noise immunity from common-mode and low-frequency differential disturbances, as well as expanding functionality.

Данные технические результаты достигаются тем, что в пиковом детекторе с дифференциальным входом, содержащем источник импульсного сигнала, имеющий, по крайней мере, два вывода, каждый из которых соединен с соответствующим входом дифференциального усилителя, выполненного на, по крайней мере, одном операционном усилителе, выход дифференциального усилителя соединен с первым выводом первого диода, второй вывод которого соединен с входом неинвертирующего повторителя напряжения и через первый конденсатор с общей шиной, второй диод и шину питания, новым является то, что дополнительно введены резистор, второй конденсатор и резистивный делитель напряжения, первый вывод которого соединен с входом неинвертирующего повторителя напряжения, выход которого является выходом пикового детектора и соединен через второй конденсатор с выходом резистивного делителя напряжения, второй вывод которого подключен к общей шине, к которой через второй диод подключены неинвертирующий вход смещения нуля дифференциального усилителя и через резистор шина питания.These technical results are achieved by the fact that in a peak detector with a differential input containing a pulse signal source having at least two outputs, each of which is connected to a corresponding input of a differential amplifier made on at least one operational amplifier, the output the differential amplifier is connected to the first output of the first diode, the second output of which is connected to the input of the non-inverting voltage follower and through the first capacitor with a common bus, the second diode and the pi bus In addition, a resistor, a second capacitor and a resistive voltage divider, the first output of which is connected to the input of a non-inverting voltage follower, the output of which is the output of the peak detector and connected through the second capacitor to the output of the resistive voltage divider, the second output of which is connected to a common bus to which a non-inverting zero offset input of the differential amplifier is connected through a second diode and a power bus through a resistor.

Повышение быстродействия и помехозащищенности от синфазных помех и электромагнитных наводок достигается за счет линейного режима работы дифференциального усилителя, при котором он не имеет насыщенных состояний из-за включенных нелинейных диодных цепей в обратной связи. Повышение быстродействия также достигается за счет исключения дополнительного времени на отпирание первого диода, благодаря организованному на нем смещению с помощью второго диода, резистора и положительной шины питания в цепи неинвертирующего входа смещения нуля дифференциального усилителя; исключения общей обратной связи; уменьшения емкости первого конденсатора при введении цепи положительной обратной связи в неинвертирующий повторитель напряжения через второй конденсатор, увеличивающей время разряда.Improving the speed and noise immunity from common mode noise and electromagnetic interference is achieved due to the linear mode of operation of the differential amplifier, in which it does not have saturated states due to the included nonlinear diode circuits in feedback. The increase in speed is also achieved by eliminating the additional time for unlocking the first diode, due to the bias organized on it using the second diode, resistor and positive power bus in the non-inverting zero bias input of the differential amplifier; general feedback exceptions; reducing the capacitance of the first capacitor when introducing a positive feedback circuit into a non-inverting voltage follower through the second capacitor, which increases the discharge time.

Расширение функциональных возможностей достигается за счет введения функции индикации обрыва цепи источника импульсного сигнала, реализованная за счет организованного смещения на неинвертирующем входе смещения нуля дифференциального усилителя на втором диоде, резисторе и шине питания, что обеспечивает сигнализацию наличия или отсутствия связи с источником импульсного сигнала в виде постоянного напряжения на выходе пикового детектора уровнем около 0,2 В или 0,7 В соответственно.The expansion of functionality is achieved by introducing the function of indicating an open circuit of the pulse source signal, implemented by the organized bias at the non-inverting input of the zero bias of the differential amplifier on the second diode, resistor and power bus, which provides a signal of the presence or absence of communication with the pulse source as a constant voltage at the output of the peak detector with a level of about 0.2 V or 0.7 V, respectively.

Дополнительная помехозащищенность от низкочастотных дифференциальных помех обеспечивается за счет выполнения источника импульсного напряжения с дополнительными конденсаторами, один вывод каждого из которых является выводами источника. В этом случае конденсаторы источника импульсного сигнала с резисторами дифференциального усилителя образуют на его входах фильтры верхних частот первого порядка.Additional noise immunity from low-frequency differential interference is ensured by performing a pulse voltage source with additional capacitors, one output of each of which is the source terminals. In this case, the capacitors of the pulse signal source with the resistors of the differential amplifier form first-order high-pass filters at its inputs.

Дополнительная помехозащищенность от низкочастотных дифференциальных помех, а также сигналов произвольной длительности достигается выполнением источника импульсного сигнала с селективным последовательным колебательным (резонансным) контуром, пропускающего без подавления импульсы частотой равной резонансной частоте контура.Additional noise immunity from low-frequency differential interference, as well as signals of arbitrary duration, is achieved by performing a pulse signal source with a selective sequential oscillatory (resonant) circuit, transmitting without suppression pulses with a frequency equal to the resonant frequency of the circuit.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены варианты принципиальных схем пикового детектора с дифференциальным входом (далее - пиковый детектор). На фиг. 3 представлена диаграмма работы пикового детектора. На фиг. 4 и фиг. 5 представлены варианты реализации источника импульсного сигнала, соответствующие им амплитудно-частотные характеристики пикового детектора представлены на фиг. 6 и фиг. 7.In FIG. 1 and FIG. 2 shows variants of circuit diagrams of a peak detector with a differential input (hereinafter referred to as a peak detector). In FIG. 3 shows a peak detector operation diagram. In FIG. 4 and FIG. 5 shows embodiments of a pulse signal source, the corresponding amplitude-frequency characteristics of a peak detector are shown in FIG. 6 and FIG. 7.

Пиковый детектор (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит источник 1 импульсного сигнала, дифференциальный усилитель 2, неинвертирующий повторитель 3 напряжения, первый 4 и второй 5 диоды, первый 6 и второй 7 конденсаторы, шину 8 питания, резистор 9, резистивный делитель 10 напряжения.The peak detector (see Fig. 1 and Fig. 2) contains a pulse signal source 1, a differential amplifier 2, a non-inverting voltage follower 3, the first 4 and second 5 diodes, the first 6 and second 7 capacitors, a power bus 8, a resistor 9, a resistive voltage divider 10.

Выход дифференциального усилителя 2 (см. фиг. 1) соединен с анодом первого диода 4, катод которого соединен с входом неинвертирующего повторителя 3 напряжения и через первый конденсатор 6 с общей шиной. Первый вывод резистивного делителя 10 напряжения соединен с входом неинвертирующего повторителя 3 напряжения, выход которого является выходом пикового детектора и соединен через второй конденсатор 7 с выходом резистивного делителя 10 напряжения. Второй вывод резистивного делителя 10 напряжения подключен к общей шине, к которой подсоединен катод второго диода 5, анод которого подключен к неинвертирующему входу 13 смещения нуля дифференциального усилителя 2 (данный вход также известен, как вход опорного напряжения, REF и Reference) и через резистор 9 к положительной шине 8 питания.The output of the differential amplifier 2 (see Fig. 1) is connected to the anode of the first diode 4, the cathode of which is connected to the input of the non-inverting voltage follower 3 and through the first capacitor 6 with a common bus. The first output of the resistive voltage divider 10 is connected to the input of the non-inverting voltage follower 3, the output of which is the output of the peak detector and connected through the second capacitor 7 to the output of the resistive voltage divider 10. The second output of the resistive voltage divider 10 is connected to a common bus to which the cathode of the second diode 5 is connected, the anode of which is connected to the non-inverting input 13 of the bias zero of the differential amplifier 2 (this input is also known as the reference voltage input, REF and Reference) and through the resistor 9 to the positive power bus 8.

Полярность включения первого 4, второго 5 диодов и шины 8 питания, описанная выше, предназначена для детектирования входных импульсов положительной полярности. Для детектирования отрицательных импульсов необходимо изменить их полярность первого 4, второго 5 диодов и шины 8 питания на противоположную.The switching polarity of the first 4, second 5 diodes and power bus 8 described above is designed to detect input pulses of positive polarity. To detect negative pulses, it is necessary to change the polarity of the first 4, second 5 diodes and power bus 8 to the opposite.

Источник 1 импульсного сигнала может быть выполнен на источниках импульсного дифференциального 11 и синфазного 12 сигналов. Каждый вывод (первый «+» и второй «-») источника 1 импульсного сигнала (см. фиг. 1) соединен с соответствующими выводами (неинвертирующим и инвертирующим) дифференциального усилителя 2.The source 1 of the pulse signal can be performed on the sources of the pulse differential 11 and in-phase 12 signals. Each output (first “+” and second “-”) of the pulse signal source 1 (see Fig. 1) is connected to the corresponding terminals (non-inverting and inverting) of the differential amplifier 2.

Дифференциальный усилитель 2 может быть выполнен на операционном усилителе 14 и включать резисторы 15, 16, 17, 18, равной величины (см. фиг. 1) при усилении равным единице (операционный усилитель 14 также может включать резисторы 15, 16, 17, 18 не равной величины при большем усилении). Резисторы 15 и 16 последовательно соединены, при этом точка объединения подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 14. Другие выводы резисторов 15 и 16 являются соответственно неинвертирующим входом дифференциального усилителя 2 и неинвертирующим входом 13 смещения нуля дифференциального усилителя 2. Резисторы 17 и 18 последовательно соединены, их точка объединения подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 14. Другой вывод резистора 18 подключен к выходу операционного усилителя 14, а другой вывод резистора 17 является инвертирующим входом дифференциального усилителя 2.Differential amplifier 2 can be performed on an operational amplifier 14 and include resistors 15, 16, 17, 18 of equal value (see Fig. 1) with amplification equal to one (operational amplifier 14 may also include resistors 15, 16, 17, 18 not equal value at higher gain). Resistors 15 and 16 are connected in series, while the combining point is connected to the non-inverting input of the operational amplifier 14. Other outputs of resistors 15 and 16 are respectively the non-inverting input of the differential amplifier 2 and the non-inverting input 13 of the zero offset of the differential amplifier 2. Resistors 17 and 18 are connected in series, their the combining point is connected to the inverting input of the operational amplifier 14. Another output of the resistor 18 is connected to the output of the operational amplifier 14, and the other output of the resistor 17 is is the inverting input of differential amplifier 2.

Дифференциальный усилитель 2 может быть выполнен также в виде измерительного усилителя, включающего три операционных усилителя, например, 1463УБХХХ и др. (см. фиг. 2).Differential amplifier 2 can also be made in the form of a measuring amplifier, including three operational amplifiers, for example, 1463UBXXX and others (see Fig. 2).

Неинвертирующий повторитель 3 напряжения может быть выполнен на операционном усилителе 19, неинвертирующий вход которого является входом неинвертирующего повторителя 3 напряжения, а инвертирующий вход соединен с выходом операционного усилителя 19, который является выходом неинвертирующего повторителя 3 напряжения (см. фиг. 1).The non-inverting voltage follower 3 can be performed on the operational amplifier 19, the non-inverting input of which is the input of the non-inverting voltage follower 3, and the inverting input is connected to the output of the operational amplifier 19, which is the output of the non-inverting voltage follower 3 (see Fig. 1).

Неинвертирующий повторитель 3 напряжения также может быть выполнен на дискретных биполярных или полевых транзисторах, например, на эмиттерном повторителе напряжения (на фиг. 1, фиг. 2 не показано).Non-inverting voltage follower 3 can also be performed on discrete bipolar or field effect transistors, for example, on an emitter voltage follower (in Fig. 1, Fig. 2 is not shown).

Резистивный делитель 10 напряжения может быть выполнен в виде последовательно соединенных резисторов 20 и 21, точка объединения которых является выходом резистивного делителя 10 напряжения (см. фиг. 1). Другие выводы резисторов 20 и 21 являются соответственно первым и вторым выводами резистивного делителя 10 напряжения.The resistive voltage divider 10 can be made in the form of series-connected resistors 20 and 21, the combination point of which is the output of the resistive voltage divider 10 (see Fig. 1). The other terminals of the resistors 20 and 21 are respectively the first and second terminals of the resistive voltage divider 10.

В пиковом детекторе в качестве источника 1 импульсного сигнала (см. фиг. 4) может быть использован источник импульсного напряжения с конденсаторами 22 и 23, один вывод каждого из которых является выводом источника 1 импульсного сигнала.In the peak detector, a pulse voltage source with capacitors 22 and 23 can be used as the source 1 of the pulse signal (see Fig. 4), one output of each of which is the output of the source 1 of the pulse signal.

В пиковом детекторе в качестве источника 1 импульсного сигнала (фиг. 5) может быть использован источник импульсного напряжения с последовательным резонансным (колебательным) контуром, при этом точка объединения источника импульсного напряжения и первого вывода катушки индуктивности 24 является первым выводом источника 1 импульсного сигнала, точка объединения второго вывода катушки индуктивности 24 и первого вывода конденсатора 25 является вторым выводом источника 1 импульсного сигнала, а второй вывод конденсатора 25 (третий вывод источника 1 импульсного сигнала) подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 14 дифференциального усилителя 2.In the peak detector, a pulse voltage source with a serial resonant (oscillatory) circuit can be used as a pulse signal source 1 (Fig. 5), while the point of combination of the pulse voltage source and the first output of the inductor 24 is the first output of the pulse signal source 1, point combining the second terminal of the inductor 24 and the first terminal of the capacitor 25 is the second terminal of the pulse signal source 1, and the second terminal of the capacitor 25 (third source terminal 1, a pulse signal) is connected to the inverting input of the operational amplifier 14 of the differential amplifier 2.

Пиковый детектор работает следующим образом.The peak detector operates as follows.

В исходном статическом состоянии на выводах источника 1 импульсного сигнала, подключенного к дифференциальному усилителю 2, нулевое напряжение. На неинвертирующем входе 13 смещения нуля дифференциального усилителя 2 напряжение равно около 0,7 В и определяется напряжением на прямо смещенном переходе второго диода 5 в зависимости от величины резистора 9 и протекающего через него постоянного тока от шины 8 питания постоянного тока. Организованное смещение 0,7 В повторяется на выходе дифференциального усилителя 2 (за счет деления на два резисторами 15 и 16 и последующего умножения на два резисторами 17 и 18) и аноде первого диода 4, смещая его в открытое состояние и обеспечивая температурную компенсацию. Однако, из-за различных токов, протекающих через первый 4 и второй 5 диоды, на катоде первого диода 4 присутствует постоянное напряжение уровнем около 0,2 В (таким образом, падение через первый диод составляет около 0,5 В и определяется током в зависимости от суммы сопротивлений резисторов 20 и 21). Далее напряжение 0,2 В поступает на вход неинвертирующего повторителя 3 напряжения и повторяется на выходе пикового детектора.In the initial static state at the terminals of the source 1 of the pulse signal connected to the differential amplifier 2, zero voltage. At the non-inverting input 13 of the zero bias of the differential amplifier 2, the voltage is about 0.7 V and is determined by the voltage at the directly biased junction of the second diode 5, depending on the value of the resistor 9 and the direct current flowing through it from the DC bus 8. The organized bias of 0.7 V is repeated at the output of differential amplifier 2 (due to division by two resistors 15 and 16 and subsequent multiplication by two resistors 17 and 18) and the anode of the first diode 4, shifting it to the open state and providing temperature compensation. However, due to the different currents flowing through the first 4 and second 5 diodes, a constant voltage of about 0.2 V is present at the cathode of the first diode 4 (thus, the drop through the first diode is about 0.5 V and is determined by the current depending from the sum of the resistances of the resistors 20 and 21). Next, a voltage of 0.2 V is supplied to the input of the non-inverting voltage follower 3 and is repeated at the output of the peak detector.

Статический уровень 0,2 В на выходе пикового детектора участвует в индикации связи с источником 1 импульсного сигнала и сигнализирует о рабочем режиме пикового детектора без входного сигнала.A static level of 0.2 V at the output of the peak detector is involved in indicating communication with the source 1 of the pulse signal and signals the operating mode of the peak detector without an input signal.

Индикация отсутствия связи с источником 1 импульсного сигнала работает следующим образом. Если отсутствует связь с первым выводом «+» источника 1 импульсного сигнала, тогда дифференциальный усилитель 2 трансформируется в неинвертирующий усилитель напряжения за счет резисторов 17 и 18 с коэффициентом передачи равный двум, а входным сигналом каскада становится напряжение на входе смещения нуля 13 дифференциального усилителя 2 равное около 0,7 В. Таким образом, на аноде первого диода 4 напряжение составит 1,4 В, а на его катоде, с учетом прямого падения, напряжение составит 0,9 В. Далее 0,9 В повторится на выходе пикового детектора сигнализируя о нарушении связи с первым выводом «+» источника 1 импульсного сигнала.Indication of lack of communication with the source 1 of the pulse signal operates as follows. If there is no connection with the first output “+” of the pulse signal source 1, then differential amplifier 2 is transformed into a non-inverting voltage amplifier due to resistors 17 and 18 with a transmission coefficient equal to two, and the input signal of the cascade becomes the voltage at the zero offset input 13 of differential amplifier 2 equal to about 0.7 V. Thus, the voltage at the anode of the first diode 4 will be 1.4 V, and at its cathode, taking into account a direct drop, the voltage will be 0.9 V. Next, 0.9 V will be repeated at the output of the peak detector signal Rui abuse connection to a first terminal '+' of the pulse signal source 1.

Если отсутствует связь со вторым выводом «-» источника 1 импульсного сигнала, тогда дифференциальный усилитель 2 трансформируется в неинвертирующий повторитель напряжения за счет резистора 18, при этом резисторы 15 и 16 образуют делитель, который делит напряжение на входе смещения нуля 13 дифференциального усилителя 2 до 0,35 В, далее это напряжение повторяется на выходе дифференциального усилителя 2. Но напряжения 0,35 В не достаточно, чтобы открыть первый диод 4, поэтому выходное напряжения пикового детектора равно нулю, таким образом, сигнализируя о нарушении связи со вторым выводом «-» источника 1 импульсного сигнала.If there is no connection with the second output “-” of the pulse signal source 1, then differential amplifier 2 is transformed into a non-inverting voltage follower due to resistor 18, while resistors 15 and 16 form a divider that divides the voltage at the zero offset input 13 of differential amplifier 2 to 0 , 35 V, then this voltage is repeated at the output of the differential amplifier 2. But the voltage of 0.35 V is not enough to open the first diode 4, so the output voltage of the peak detector is zero, thus signaling Ruy about the violation of communication with the second conclusion "-" of the source 1 of the pulse signal.

В динамическом режиме, когда с источника импульсного 1 сигнала поступает короткий импульс дифференциального источника 11 (Е_диф), сопровождаемый, например, низкочастотной синусоидальной модуляцией - помехой от синфазного источника 12 (Е_сф), на выходе дифференциального усилителя 2 повторяется сигнал дифференциального источника 11 и уничтожается синусоидальная составляющая синфазного источника 12 (см. фиг. 3). За счет организованного смещения на втором диоде 5, резистора 9 и положительной шины 8 питания обеспечивается открытое состояние первого диода 4, через который под действием входного импульсного сигнала осуществляется быстрый заряд первого конденсатора 7 до значения равного амплитуде входного импульса. Далее осуществляется медленный разряд накопленного напряжения через резистивный делитель 10 напряжения со вторым конденсатором 7. Продетектированное напряжение на первом конденсаторе 6 повторяется на выходе неинвертирующего повторителя 3 напряжения и соответственно на выходе пикового детектора (см. фиг. 3).In dynamic mode, when a short pulse of a differential source 11 (E _diff ) is received from the source of the pulse 1 signal, accompanied, for example, by low-frequency sinusoidal modulation - interference from the in-phase source 12 (E _cf ), the signal of the differential source 11 is repeated at the output of the differential amplifier 2 and the sinusoidal component of the in-phase source 12 is destroyed (see Fig. 3). Due to the organized bias on the second diode 5, the resistor 9 and the positive power bus 8, the open state of the first diode 4 is ensured, through which, under the action of the input pulse signal, the first capacitor 7 is quickly charged to a value equal to the amplitude of the input pulse. Then, the accumulated voltage is slowly discharged through the resistive voltage divider 10 with the second capacitor 7. The detected voltage at the first capacitor 6 is repeated at the output of the non-inverting voltage follower 3 and, accordingly, at the output of the peak detector (see Fig. 3).

Резисторы 20 и 21 резистивного делителя 10 напряжения со вторым конденсатором 7 образуют цепь положительной обратной связи, которая обеспечивает стабилизацию тока разряда первого конденсатора 6, и позволяет многократно увеличить время разряда пикового детектора (более чем в 3 раза), при этом экспоненциальный закон разряда превращается в линейный. Увеличение времени разряда пикового детектора в свою очередь позволяет уменьшить емкость первого конденсатора 6 и, как следствие, повысить быстродействие пикового детектора.The resistors 20 and 21 of the resistive voltage divider 10 with the second capacitor 7 form a positive feedback circuit that stabilizes the discharge current of the first capacitor 6, and allows you to repeatedly increase the discharge time of the peak detector (more than 3 times), while the exponential discharge law turns into linear. The increase in the discharge time of the peak detector in turn allows you to reduce the capacity of the first capacitor 6 and, as a result, increase the performance of the peak detector.

Резисторы 20 и 21 резистивного делителя 10 напряжения, являясь цепью утечки (разряда), обеспечивают стабильность работы и надежность неинвертирующего повторителя 3 напряжения. Небольшие значения сопротивлений резисторов 20 и 21 позволяют использовать в качестве неинвертирующего повторителя 3 напряжения, как операционные усилители с полевым, так и биполярным входами. Постоянная времени линейного разряда пикового детектора равна:The resistors 20 and 21 of the resistive voltage divider 10, as a leakage circuit (discharge), provide stability and reliability of the non-inverting voltage follower 3. The small values of the resistances of resistors 20 and 21 make it possible to use voltage as a non-inverting follower 3, both operational amplifiers with field and bipolar inputs. The time constant of the linear discharge of the peak detector is equal to:

Помехозащищенность пикового детектора от синфазных помех и электромагнитных наводок (источника 12) обеспечивается за счет линейного режима работы дифференциального усилителя 2 (без пороговых нелинейных диодных цепей в цепи обратной связи, в отличие от наиболее близкого аналога), обладающего большим коэффициентом подавления синфазных напряжений (до 70 дБ). При этом организованное постоянное напряжение смещения на неинвертирующем входе смещения нуля 13 не препятствует подавлению помех за счет полностью открытого диода 5 и исключения влияния его динамического сопротивления.Noise immunity of the peak detector from common-mode noise and electromagnetic interference (source 12) is ensured by the linear operation of differential amplifier 2 (without threshold nonlinear diode circuits in the feedback circuit, in contrast to the closest analogue), which has a high common-mode voltage suppression coefficient (up to 70 dB). In this case, the organized constant bias voltage at the non-inverting input of the bias zero 13 does not prevent the suppression of interference due to the fully open diode 5 and the exclusion of the influence of its dynamic resistance.

Повышенное быстродействие пикового детектора обеспечивается за счет введения: вышеуказанного линейного режима работы каскада, при котором дифференциальный усилитель 2 и неинвертирующий повторитель 3 напряжения не имеют насыщенных состояний и, следовательно, не требуют дополнительных времен для выхода из них; вышеуказанного смещения на первом диоде 4, позволяющего исключить время на его отпирание; исключения из общей обратной связи; небольшой величины емкости «запоминающего» первого конденсатора 9. Таким образом, быстродействие пикового детектора увеличивается более чем в 2,5 раза и в целом определяется лишь быстродействием используемых операционных усилителей 14 и 19.The increased performance of the peak detector is ensured by introducing: the above linear mode of operation of the cascade, in which the differential amplifier 2 and non-inverting voltage follower 3 do not have saturated states and, therefore, do not require additional time to exit them; the above bias on the first diode 4, which eliminates the time to unlock it; exceptions to general feedback; a small value of the capacity of the “storage” first capacitor 9. Thus, the speed of the peak detector increases by more than 2.5 times and is generally determined only by the speed of the operational amplifiers 14 and 19 used.

При выполнении источника 1 импульсного сигнала с дополнительными конденсаторами 22 и 23 (см. фиг. 4) с дифференциальным усилителем 2 (на операционном усилителе 14 и резисторах 15, 16, 17, 18) возможно обеспечить фильтрацию паразитного низкочастотного дифференциального сигнала (например, вибрации) и осуществить соответствующую защиту полезного импульсного сигнала. Конденсаторы 22 и 23 с резисторами 15, 16, 17, 18 с симметричными номиналами образуют фильтры верхних частот первого порядка на неинвертирующем и инвертирующем входах операционного усилителя 14 соответственно. Таким образом, дифференциальный каскад, сохраняя основное свойство по подавлению синфазных помех, обеспечивает фильтрацию паразитного низкочастотного дифференциального сигнала. Амплитудно-частотная характеристика на выходе дифференциального усилителя 2 соответствует амплитудно-частотной характеристике фильтра верхних частот первого порядка и приведена на фиг. 6.When performing the source 1 of the pulse signal with additional capacitors 22 and 23 (see Fig. 4) with a differential amplifier 2 (on the operational amplifier 14 and resistors 15, 16, 17, 18), it is possible to filter the stray low-frequency differential signal (for example, vibration) and provide appropriate protection for the useful pulse signal. Capacitors 22 and 23 with resistors 15, 16, 17, 18 with symmetrical values form first-order high-pass filters at the non-inverting and inverting inputs of the operational amplifier 14, respectively. Thus, the differential cascade, while maintaining the basic property of suppressing common mode noise, provides filtering of the stray low-frequency differential signal. The amplitude-frequency response at the output of the differential amplifier 2 corresponds to the amplitude-frequency response of a first-order high-pass filter and is shown in FIG. 6.

При выполнении источника 1 импульсного сигнала с селективным последовательным колебательным (резонансным) контуром (см. на фиг. 5) на катушке индуктивности 24 и конденсаторе 25 с дифференциальным усилителем 2 на операционном усилителе 19 и резисторах 15, 16, 17, 18, возможно обеспечить повышенную избирательность длительности входных коротких импульсов относительно низкочастотных дифференциальных помех, а также сигналов произвольной длительности. Для этого длительность импульсов источника 1 импульсного сигнала должна соответствовать резонансной частоте колебательного контура:When performing the source 1 of the pulse signal with a selective sequential oscillatory (resonant) circuit (see Fig. 5) on the inductor 24 and the capacitor 25 with the differential amplifier 2 on the operational amplifier 19 and resistors 15, 16, 17, 18, it is possible to provide increased selectivity of the duration of the input short pulses relative to low-frequency differential interference, as well as signals of arbitrary duration. For this, the pulse duration of the source 1 of the pulse signal must correspond to the resonant frequency of the oscillatory circuit:

где τ_{вх_имп} - длительность импульсов источника 1 импульсного сигнала;where τ _{in_imp} is the pulse duration of the source 1 of the pulse signal;

ƒ_рез - резонансная частота колебательного контура, которая равна:ƒ _res - the resonant frequency of the oscillatory circuit, which is equal to:

где L и С - индуктивность катушки индуктивности 24 и емкость конденсатора 25 последовательного колебательного контура соответственно.where L and C are the inductance of the inductor 24 and the capacitance of the capacitor 25 of the series oscillatory circuit, respectively.

Амплитудно-частотная характеристика на выходе дифференциального усилителя 2 на операционном усилителе 19 и резисторах 15, 16, 17, 18 с последовательным колебательным контуром на катушке индуктивности 24 и конденсаторе 25 источника 1 импульсного приведена на фиг. 7. Дифференциальный каскад, сохраняя свойство по подавлению синфазных помех, обеспечивает выделение частоты (длительности) полезного сигнала (импульсов), настроенного на резонансную частоту колебательного (резонансного) контура и подавление других частот паразитного дифференциального сигнала.The frequency response at the output of the differential amplifier 2 on the operational amplifier 19 and resistors 15, 16, 17, 18 with a series oscillatory circuit on the inductor 24 and the capacitor 25 of the pulse source 1 is shown in FIG. 7. The differential cascade, while maintaining the property of suppressing common-mode interference, provides the selection of the frequency (duration) of the useful signal (pulses) tuned to the resonant frequency of the oscillating (resonant) circuit and the suppression of other frequencies of the stray differential signal.

Испытания макета пикового детектора, выполненного на прецизионном операционном усилителе типа 544УД15У3, прецизионных резисторах Р1-16П, согласованной паре диодов типа 2Д807А, прецизионных конденсаторах К10-43, и моделирование в САПР Micro-Cap (с моделью операционного усилителя LF357, аналога 544УД15У3), подтвердили его работоспособность и заявленные технические результаты. При испытаниях макета подтверждено, что пиковый детектор с дифференциальным входом обеспечивает высокое быстродействие и детектирование импульсов длительностью ≥0,1 мкс, подавление синфазных помех и электромагнитных наводок, индикацию обрыва цепи источника импульсного сигнала. Дополнительно подтверждено подавление низкочастотных дифференциальных помех (до 10 кГц) при выполнение источника импульсного сигнала с конденсаторами и повышенную избирательность входных коротких импульсов длительностью 0,6 мкс относительно низкочастотных дифференциальных помех и сигналов произвольной длительности при выполнении источника импульсного сигнала с последовательным колебательным контуром (с катушкой индуктивности 60 мкГн и конденсатором 604 пФ).Tests of a peak detector mock-up performed on a 544UD15U3 precision operational amplifier, R1-16P precision resistors, a matched pair of 2D807A type diodes, K10-43 precision capacitors, and simulation in a Micro-Cap CAD system (with the LF357 operational amplifier model, analog 544UD15U3) its performance and the claimed technical results. When testing the layout, it was confirmed that a peak detector with a differential input provides high speed and detection of pulses with a duration of ≥0.1 μs, suppression of common mode noise and electromagnetic interference, and indication of an open circuit of a pulse signal source. Additionally, the suppression of low-frequency differential interference (up to 10 kHz) when the source of the pulse signal with capacitors was performed and the increased selectivity of the input short pulses with a duration of 0.6 μs relative to the low-frequency differential noise and signals of arbitrary duration when the source of the pulse signal with a series oscillatory circuit (with inductor 60 μH and a capacitor of 604 pF).

Claims

1. A peak detector with a differential input, containing a pulse signal source having at least two terminals, each of which is connected to a corresponding input of a differential amplifier made on at least one operational amplifier, the output of the differential amplifier is connected to the first terminal of the first diode, the second the output of which is connected to the input of a non-inverting voltage follower and through a first capacitor with a common bus, a second diode and a power bus, characterized in that side, a second capacitor and a resistive voltage divider, the first output of which is connected to the input of a non-inverting voltage follower, the output of which is the output of the peak detector and connected through the second capacitor to the output of the resistive voltage divider, the second output of which is connected to a common bus, to which are connected through the second diode non-inverting zero offset input of the differential amplifier and through the resistor power bus.

2. The peak detector according to claim 1, characterized in that the pulse signal source further comprises capacitors, one output of each of which is a source output.

3. The peak detector according to claim 1, characterized in that a pulse voltage source with a series resonant (oscillatory) circuit is used as a pulse signal source, wherein the point of combination of the pulse voltage source and the first output of the inductor is the first output of the pulse signal, point combining the second output of the coil and the first output of the capacitor is the second output of the pulse signal source, the second output of the capacitor (additional output of the pulse source signal) is connected to the inverting input of the operational amplifier of a differential amplifier.