Улучшение характеристик виковых детекторов

По рабочим характеристикам пиковые детекторы похожи на устройства выборки и хранения (УВХ); пиковым детекторам свойственны те же погрешности: спад выходного напряжения, прямое прохождение сигнала, "пьедестал", погрешности смещения и коэффициента передачи, времени выборки, апертурные ошибки и ограничение скорости нарастания. Далее несколько подробнее рассмотрены способы борьбы со спадом выходного напряжения и повышения быстродействия.

Как отмечалось ранее, спад, в основном, возникает из-за протекания в режиме хранения токов утечки и входных токов через запоминающий конденсатор. Для скорости спада выходного напряжения можно записать:

где — суммарный ток утечки,

Очевидно, при увеличении емкости С скорость спада уменьшается. Суммарный ток утечки складываетя, главным образом, из следующих компонентов:

— ток утечки диода;

— ток утечки конденсатора (равен , где сопротивление изоляции конденсатора; конденсаторы с диэлектриками из полистирола и фторопласта имеют очень высокое сопротивление изоляции - до 106 МОм/мкФ);

— суммарный входной ток всех ОУ, подключенных к запоминающему конденсатору;

ток утечки ключа;

— "технологический" ток утечки, например по печатной плате.

Очень распространенный способ существенного снижения скорости спада из-за тока утечки диодов, показан на рис. 11.20. Он заключается во введении в схему дополнительных резистора и диода. В этой схеме напряжение в точке Р поддерживается равным напряжению на конденсаторе. В результате падение напряжения на диоде равно нулю, поэтому ток утечки через диод очень незначителен. Сопротивление резистора обычно составляет около 100 кОм; резистор в режиме хранения должен поддерживать в точке Р напряжение равное но не нагружать выход ОУ в режиме слежения. Но, как известно, очень немногие усовершенствования обходятся без недостатков. В данной случае платой за улучшение точности хранения оказывается снижение быстродействия,

Рис. 11.20. Уменьшение скорости спада выходного напряжения детектора — 1.

Рис. 11.21. Уменьшение скорости спада выходного напряжения детектора — 2.

стродсйствия, так как необходимый перепад выходного напряжения ОУ при переходе из режима хранения в режим слежения увеличивается до тройного падения напряжения на открытом диоде.

Скорость спада, связанного с протеканием входных токов ОУ можно уменьшить на порядок до уровня, обусловленного только разностью входных токов, введя в схему дополнительный конденсатор С (рис. 11.21). Отметим, что для каждого конденсатора требуется свой ключ сброса. Еще один способ уменьшения скорости спада заключается в подаче в конденсатор дополнительного тока, который компенсирует ток разряда (рис. 11.22).

Рис. 11.22. Уменьшение скорости спада выходного напряжения детектора — 3.

Показанная на рис. 11.22 схема представляет собой детектор с общей обратной связью, причем на ОУ собран интегратор. Схема обеспечивает длительное хранение напряжения и сверхнизкую скорость спада. Конденсатор С выбран с максимальной из существующих для высококачественных конденсаторов емкостью , а ОУ представляет из себя электрометрический усилитель со входным током порядка 0,1 пА. Скорость спада, обусловленная только входным током, составляет величину Однако эта величина практически недостижима, поскольку недостаточное сопротивление изоляции конденсатора приводит к гораздо большему току утечки, чем входной ток ОУ Сопротивление изоляции этого высококачественного конденсатора составляет 105 МОм, поэтому ток утечки при выходном напряжении 1 В составит , а соответствующая скорость спада — 1,0 мкВ/с.

Для дальнейшего снижения скорости спада введен ОУ который подает в конденсатор дополнительный ток для компенсации утечки в диэлектрике. Отметим, что ОУ включен как инвертор для того, чтобы вносимый заряд имел противоположную утечке полярность. Эта схема на порядок снижает скорость спада, вызываемого диэлектрической утечкой. Однако ее эффективность ограничивается температурной нестабильностью сопротивления утечки конденсатора С. Отметим, что аналогичный прием для снижения скорости спада, вызываемого входными токами,

использовать нельзя, так как эти токи более чувствительны к изменениям температуры, чем сопротивление утечки конденсатора (удваиваются при повышении температуры на каждые 10°С).

Рекомендуемые сопротивления резисторов:

— максимально возможное (более 100 МОм), — делитель выходного напряжения ОУ

Для снижения утечек по поверхности печатной платы обязательно используйте охранное кольцо. Неплохо также использовать для монтажа фторопластовые стойки. Важно обеспечить чистоту платы и удалить загрязнения, например паяльный флюс, которые увеличивают токи утечки.

Скорость, с которой пиковый детектор может отслеживать входной сигнал, ограничивается либо скоростью нарастания выходного напряжения ОУ, либо тем, насколько быстро запоминающий конденсатор можно зарядить максимальным выходным током ОУ величиной

Ясно, что чем больше емкость С, тем ниже быстродействие.

Скорость нарастания выходного напряжения пикового детектора можно повысить, применяя усилитель тока на транзисторе (рис. 11.23). В этой схеме диод защищает переход база-эмиттер транзистора от обратного напряжения в режиме хранения. Резистор уменьшает скорость спада, поддерживая почти нулевое напряжение на переходе база-эмиттер транзистора. Типичное сопротивление резистора около 100 кОм. Резистор ограничивает ток транзистора и предотвращает его выход из строя. Максимальный ток базы транзистора должен быть больше максимального выходного тока ОУ, так как в противном случае ОУ выведет транзистор из строя.

Рис. 11.23. Применение транзистора для увеличения скорости нарастания.

Основным фактором, влияющим на скорость, с которой можно отследить быстрые изменения входного напряжения, является конечная скорость нарастания выходного напряжения ОУ При ступенчатом изменении входного сигнала выходное напряжение ОУ должно сначала возрасти от входного уровня, существовавшего до подачи ступеньки, до нового значения. После этого возобновится процесс отслеживания входного сигнала. Имеются два способа ускорения этого перехода. Во-первых, скорость нарастания ОУ можно увеличить, выбирая более быстродействующий ОУ. Во-вторых, можно снизить величину необходимого перепада, применяя диоды Шотпш с малым прямым падением напряжения и показанный на рис. 11.24 способ.

В этой схеме диод и резистор ограничивают потенциал неинвертирующего входа ОУ на уровне, меньшем выходного сигнала детектора на величину падения напряжения на диоде VD. Следовательно, выходное напряжение ОУ не может стать ниже выходного сигнала детектора более, чем на два прямых падения напряжения на диоде. Резистор отделяет ограничительный диод от входа; в режиме хранения резистор определяет входное сопротивление схемы. В результате необходимый перепад при переходе в режим слежения ограничивается двумя прямыми падениями напряжения на диодах.

Для сброса пикового детектора обычно применяется аналоговый ключ, например, полевой транзистор или герконовое реле. Простая схема сброса с использованием МОП-транзистора показана на рис. 11.25. Рекомендуется выбирать транзистор, имеющий ток утечки сток-исток в закрытом состоянии минимум на порядок меньше входного тока ОУ. Этого трудно добиться при использовании электрометрических ОУ, поскольку их входные токи слишком малы. Отметим, что может потребоваться включение последовательно с ключом (особенно герконовым реле) небольшого резистора для ограничения максимального тока сброса.

Рис. 11.24. Уменьшение времени выборки пикового детектора.

Способ уменьшения тока утечки через канал полевого транзистора показан на рис. 11.26. В схему введен дополнительный ключ, на котором поддерживается нулевое напряжение с помощью резистора

В заключение отметим, что можно построить быстродействующий пиковый детектор с длительным хранением, включая последовательно два каскада: с малым временем нарастания и малой скоростью спада (рис. 11.27 а). Наконец, можно построить детектор размаха, используя пиковый детектор, детектор минимума и дифференциальный усилитель (рис. 11.276).

Отметим также, что отрицательное напряжение с выхода ОУ которое появляется в некоторых из рассмотренных схем при переходе их в режим хранения, можно подать на компаратор для индикации обнаружения пика.

Рис. 11.25. Сброс пикового детектора.