高速窄脉冲峰值保持电路设计与实现

张健

（中国电子科技集团公司 第二十七研究所,河南 郑州 450047）

在激光探测领域，经常遇到识别窄脉冲信号峰值的情况[1]。这里的窄脉冲（脉宽为ns量级），即使使用高速AD进行采样也很难捕捉到窄脉冲的幅值，所以需要设计适用于窄脉冲的峰值保持电路。

1 电路工作原理

峰值保持电路是利用二极管的单向导电性和电容的存储作用构成的[2]。当脉冲信号到来时，二极管D导通，电容器C被充电至脉冲峰值时，D截止，C上保持峰值电压。电路的基本原理图如图1所示。

图1 峰值保持电路基本原理图Fig.1 A basic of peak holding circuit

根据工作时内部信号形式的不同，目前峰值保持电路主要分为电压型和跨导型两种类型。

对于电压型峰值保持电路，第一级放大器为电压放大，考虑到信号从输入到反馈有一定的时间（称为回路时间），在到达峰值时，电容上电压会在这段时间内继续变化，从而产生过冲。由于运算放大器的开环放大倍数通常比较大 （约105），过冲电流较大且为非线性[3]。另外从频域角度看，二极管D和电容C组成的网络有一个极点，而运算放大器本身也有极点，所以整个电路的通频带较低（一般小于10 MHz），无法完成对高速窄脉冲信号的峰值保持。

为了实现对高速窄脉冲信号的峰值保持，跨导型峰值保持电路应运而生。它是利用跨导运算放大器（OTA）代替电压型的一般运算放大器[4]。它将电压输入变为电流输出，当电容电压达到峰值时，电流已趋于零，所以基本无过冲。该电路的频率响应只有一个极点。另外，跨导型放大器的第一转折频率容易做到很高，输出阻抗极大（107Ω），其输出电流可近似认为与负载无关[5]。所以整个电路的通频带较高，且稳定性好，适于处理快速窄脉冲信号。

2 电路设计与Pspice仿真

为了实现快速窄脉冲峰值保持，使用跨导型电路设计。这里跨导运算放大器选用TI的OPA860，它的典型跨导g=95 mA/V。另外芯片内还集成有缓冲器（BUF）[6]，如图2所示。

图2 OPA860芯片构成图Fig.2 Configuration diagram of OPA860

设计电路如下图3所示。主要包括跨导运算放大器OPA860_OTA、缓冲器 OPA860_BUF、二极管 D1、保持电容Chold等几部分组成的峰值保持电路。为了对设计电路进行功能仿真，图中还添加了窄脉冲信号源V1。

图3 设计仿真电路图Fig.3 Design and simulation circuit

图4给出了一组时域仿真图。图中，测试点V(C1：1)记录的波形为要保持的窄脉冲信号（脉宽15 ns，峰值分别取2.5 V、1.5 V），测试点 V(U1B：OUT)记录的波形为峰值保持后的信号。

从时域仿真图上可以看出，峰值保持电路对不同幅值的窄脉冲信号保持性能均表现良好。以图4(a)为例，窄脉冲信号峰值为2.5 V，脉宽15 ns。保持后的信号幅值约2.48 V （保持精度99.2%）；保持时长5μs后，信号幅值稍有衰减（约衰减2%）。

通过对保持电容参数的不同设置，仿真结果表明峰值保持性能会有明显影响。增大保持电容容值，利于增加保持时长，但因窄脉冲充电时间较短又难以达到原有的峰值高度。相反，降低保持电容容值，利于峰值保持的精度，但会降低保持时长。

仿真时还发现二极管参数的选取也直接影响电路性能。在进行二极管选型时，要优选反向漏电流、正向压降和PN结等效结电容小的。同时，还要注意二极管反向击穿电压满足电路需求。

3 电路性能测试

实际设计的电路中还包括窄脉冲发生电路、阈值比较电路、保持时长设置电路和放电控制电路。电路框图如图5所示。当窄脉冲信号到来时，同时送至峰值保持电路和阈值比较电路。进入比较器后的信号经保持时长设置电路和放电控制电路后，对峰值保持的信号进行放电处理以便为下次峰值保持做准备。其中，保持时长设置电路根据实际需要进行参数设置调节。

图4 时域仿真图Fig.4 The time-domain simulation diagram

图5 电路组成框图Fig.5 Block diagram of the circuit

设计的电路板如图6所示。

图6 PCB电路板Fig.6 The Printed Circuit Board

电路完成后进行了实测，下图7给出了一组实测波形。图中，示波器通道2波形为输入的窄脉冲信号，其脉宽为18 ns。保持时长设置为14μs。示波器通道3波形为输出的峰值保持信号。从图7（a）中可以看出，输入的窄脉冲信号峰值1.5 V，保持后的信号幅值1.51 V，保持精度误差0.67%。将时间轴刻度拉长，见图7（b），可以看出待峰值保持14μs后，电路输出恢复低电平，达到了预先设计目标。

图7 实测波形图Fig.7 Test result ofwaveforms

4 结论

文中借助Pspice完成了窄脉冲峰值保持电路的仿真与设计，并对电路进行了实测。结果表明，电路工作稳定，性能良好，达到了该项目的设计要求。本电路具有一定的通用性，为其它相关设计提供了参考。

[1]王海先.简单的激光窄脉冲信号准峰值采样保持电路[J].红外与激光工程,1998,5:16.WANG Hai-xian.Simple laser pulses narrow quasi-peak sample and hold circuit[J].Infrared and Laser Engineering,1998,5:16.

[2]王芝英.核电子技术原理[M].北京:原子能出版社,1989:56.

[3]陈勇,李延国,吴枚.新型高性能脉冲峰值保持电路[J].核电子学与探测技术,1997,17(4):241.CHEN Yong,LIYan-guo,WU Mei.New high-performance pulse peak holding circuit[J].Nuclear Electronics&Detection Technology,1997,17(4):241

[4]郭永新,焦青.新型跨导型脉冲峰值保持器[J].青岛大学学报,2001,16(4):104.GUO Yong-xin,JIAO Qing.The new pulse peak Tran conductance type retainer[J].Journal of Qingdao University,2001,16(4):104.

[5]Buckens P F,Veatch M S.A high performance peak detect&hold circuit for pulse height analysis[J].IEEE Trans Nucl Sci,1992,NS 39(4):753-757.

[6] Texas Instruments. Wide Bandwidth Operational Transconductance Amplifier (OTA)and Buffer[EB/OL].(2008-08).[2013-10-26].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/sbos331c/sbos331c.pdf.