技术论文发表激光传感器窄脉冲峰值保持电路的设计

　　各种激光传感器采用激光窄脉冲信号工作，具有波长稳定，高单色性，激光频率宽度比普通光小10倍以上，不受光线干扰和其他气体干扰，灵敏度较红外高等优点，被广泛的使用于各种工矿现场。激光脉冲宽度一般只有10ns左右，激光窄脉冲信号重频率低，有时候数秒钟才发射一个。由于脉冲宽度很小，难以满足后续模数转换器件转换时间的要求，需要对窄脉冲信号进行一定时间的保持。

　　【摘要】脉冲峰值保持电路是实现对激光窄脉冲信号探测的关键电路，本文介绍了峰值保持电路的工作原理，设计了具有自动放电功能、脉冲保持时间可调的窄脉冲峰值保持电路。利用二极管的单向导电性和电压跟随器的高输入阻抗实现了信号峰值的保持，通过双单稳态电路控制模拟开关实现脉冲保持时间设置和保持电容的泄放功能，并对电路进行了改进。

　　【关键词】技术论文发表,窄激光脉冲,峰值保持器,单稳态电路

　　引言

　　由于受激光器、驱动电路分布参数和工艺技术的影响，当激光脉冲宽度窄到一定程度时，激光脉冲峰值功率明显下降，要实现小体积的高功率、窄脉冲激光发射将面临许多实际问题。针对这一现象，从理论上对电路进行了分析，设计出高性能的激光窄脉冲峰值保持电路对提高激光传感器动态检测精度和抗云雾干扰能力具有重要意义，峰值保持电路也可以应用于微电子、遥感等领域。

　　1电路设计

　　峰值保持电路是一种能跟随输入信号变化并能将最大值记忆下来的电路，其原理如图1所示。

　　图1峰值保持电路原理图

　　图1为峰值保持电路的基本工作原理，运算放大器A工作于比较器状态，在输入信号为正信号时，运算放大器A输出正供电电源，通过二极管D对电容C充电，运算放大器B为高输入阻抗放大器（目的：防止电容电量泄漏）组成的一级电压跟随器，可以隔离前后级电路也能提高电路的带负载能力。利用二极管的单向导电性能和运放B的高输入阻抗特性，电容C上的电压被保持住。二极管选用肖特基二极管，它是一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。电压被保持后供后续电路处理需要，处理完成后需对电容放电，以便进行下一次测量。在该设计中，合理使用数字和模拟电子器件实现峰值保持电路的自动放电功能，而且保持时间可以调整。设计电路的方框图如图2所示：

　　图2峰值保持电路设计原理图

　　其中，比较器、双稳态电路和模拟开关组成自动放电电路。该电路主要产生门控复位信号，用该信号控制模拟开关，泄放积分电容上的电荷，使电路及时复位以便进行下次峰值保持。比较器用来产生单稳态电路的触发脉冲，单稳态电路选择不可重触发单稳态，防止峰值保持期间单稳态被误触发，单稳态分别产生两个脉冲信号，其脉冲宽度可以根据要求来调节，且第二个脉冲信号作为模拟开关的控制信号。两个脉冲的信号时序关系如图3所示：

　　图3脉冲时序图

　　T1时刻比较器的脉冲前沿触发前一个单稳态电路产生一个脉冲，其脉宽即为峰值保持时间。T2时刻对应脉冲的下降沿，它可触发后一个单稳态电路再产生一个脉冲信号，该信号的脉宽为泄放开关的闭合时间，即为电路的复位时间。模拟开关可以用三极管实现，由第二个单稳态脉冲控制它的开、关。

　　2电路分析

　　设计反馈通道（B到A）的作用是由于实际的二极管和理想的二极管有较大的差距，其正向导通性存在一个死区电压，只有输入电压大于死区电压时二极管菜道通，不利于小信号的处理，加上反馈，提高了电路的灵敏度。

　　信号从输入到反馈回来需一定的时间，称回路时间t1，所以在电容上电压Vcc达到Vi的峰值时，要经过t1时间才能反馈回来，使二极管D截止，这样就会产生过冲。

　　滑动变阻器做电位器，提供阈值电压。

　　图4脉冲峰值保持电路

　　设计电路如图4所示，要实现快速脉冲的测量对运算放大器的性能要求较高，要求运算放大器具有高的转换速率，同时需要大的驱动电流驱动后续电容性负载。转换速率就是输出电压的最大变化率，以V/us表示，若某放大器的转换速率为0.5V/us，表示输出电压以0.5V/us落后的比率上升或下降。在设计中运算放大器A用作比较器，输出电压为V+，V-（V+，V-为供电电压），假设运算放大器的额定转换速率为S，则输出电压从V-到V+的时间为：

　　（1）

　　可见如果输出全振幅的话，输入信号的零电位时间要大于这个时间，也就是说运算放大器的转换速率决定了输入信号的频率，要想有高的频率响应，就需要大转换速率的运算放大器。电路中，充放电电路的时间常数为τ=R’C，其中R’为二极管内阻Rd与电阻R之和，C为电容值，设输入信号的宽度为tp。在RC电路的充放电过程中，输入电压的宽度tp与时间常数τ的比值，对电路响应影响很大。当τ≤tp时，RC电路的响应速度相对的较快，在输入电压产生阶跃后的较短时间内，电路进入稳态，电容电压可跟随输入信号。当τ≥tp时，RC电路的响应时间相对的较缓慢，由于电路的时间常数较大，在0≤t≤tp时，电容电压上升缓慢，在输入信号的有效期内输出达不到输入的最大值。可以看出，如果信号变化的频率，超过了RC电路的频率，则峰值检波电路不能将信号的最大值记录下来。所以在设计电路时要根据信号的变化频率来调整参数R和C的值，以便准确记录信号峰值。它们之间的关系如图5所示：

　　图5RC与峰值关闭（a：τ≤tpb：τ≥tp）

　　电路中利用不可重触发单稳态实现峰值保持时间和电容泄放时间的控制，单稳态脉冲宽度为：

　　TW=0.7RC（2）

　　R、C为外接电阻、电容的值

　　只要改变外接电阻或电容的值就可以实现脉冲保持时间的调整，方便易行。

　　3电路的改进

　　图6改进后的峰值保持电路

　　在要保持快速脉冲时，为了及时保持跟踪输入信号，要求充电常数RC尽量的小。当然选取了较小值的电容，可以跟随输入信号，但是保持的时间却很短，主要原因在于由于电容的电容值较小，此时电容的漏电流就不能不被考虑，保持电容上的电荷比较少，由于漏电流的存在，在较短时间内，电荷被泄放。设计了一种保持电量的方法，首先就是尽量减小储能电容的泄漏电流，就要选用漏电阻很大的电容；同时利用高输入阻抗的场效应管构成电压跟随器，接入到另一个电容，这个电容的容量要比前一个大得多，它的电量储存量大大提高。这样因微弱泄漏电流引起的的衰减速度将会大大减慢，起到保持脉冲电压的作用。改进后的电路图如6所示：：

　　4结论

　　在设计的电路中，利用二极管的单向导电性和电压跟随器的高输入阻抗特性实现脉冲峰值的保持，通过两个单稳态器件的合理使用，可以对保持电容进行自动放电，并且保持时间和放电时间可调，针对快速脉冲保持中，漏电流导致保持时间短的问题，提出了改进电路。整个设计费用低，实用性强。

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