Detector de picos de alta velocidad LTC6244

Los detectores de picos capturan el extremo de la señal de voltaje en su entrada. Un detector de pico positivo captura el punto más positivo de la señal de entrada y un detector de pico negativo captura el punto más negativo de la señal de entrada. Idealmente, la salida del circuito detector de picos rastrea o sigue el voltaje de entrada hasta que se alcanza el punto extremo, pero mantiene ese valor a medida que disminuye la entrada. El detector de picos ideal realiza esta función independientemente de la velocidad de la señal de entrada. El rendimiento del detector de picos físico está limitado por el ancho de banda de la señal de entrada. Este artículo revisará el funcionamiento del circuito detector de pico activo clásico, destacará los parámetros y componentes que limitan el ancho de banda; proponer mejoras para eliminar estas limitaciones y presentar resultados de simulación que comparen el rendimiento de los nuevos circuitos.

Las figuras 1 y 2 son representaciones de dos implementaciones de detectores de picos. El circuito de la figura 1 es el de un detector de picos clásico. El circuito de la figura 2 aborda las limitaciones del detector de picos clásico. Esta discusión revisará el funcionamiento del detector de picos clásico, resaltará las limitaciones del circuito, explicará cómo el circuito mejorado aborda estas limitaciones y explorará métodos para mejorar aún más el circuito como se muestra en la figura 3.

El circuito de la figura 1 captura el valor máximo del voltaje de entrada (IN). Cuando IN es positivo, D1 tiene polarización inversa, D2 tiene polarización directa y no fluye corriente en la resistencia de retroalimentación R2. Por lo tanto, el voltaje de salida (OUT) rastrea el voltaje de entrada (IN) porque el bucle de retroalimentación externo conduce las entradas de U1 a un cortocircuito virtual (V+ = V–). El voltaje de salida sigue el voltaje en el capacitor C1 porque U2 está configurado como un seguidor de voltaje. C1 se carga a este voltaje por la corriente de salida de U1 a través de D2. R1 evita que U1 exceda su corriente de salida de cortocircuito y aísla a U1 de la capacitancia de C1, lo que evita que suene o incluso oscilaciones. Este estado se mantiene mientras el voltaje de entrada sea positivo y creciente.

El circuito de la figura 1 cambia de estado cuando disminuye el voltaje de entrada. D2 tiene polarización inversa cuando el voltaje de entrada disminuye porque la salida de U1 (ánodo de D2) cae por debajo del voltaje de cátodo de D2, que es igual al voltaje máximo anterior almacenado en C1. El circuito de retroalimentación externo se rompe en este estado y la salida de U1 intenta ajustarse al voltaje de riel negativo. D1 tiene polarización directa en este estado y proporciona retroalimentación local a U1 que sujeta el ánodo de D2 a una caída de diodo por debajo del voltaje de entrada. El estado de retención se mantiene hasta que el voltaje de entrada supera el voltaje del condensador, que es igual al voltaje de salida. La abrazadera D1 reduce el tiempo de transición desde el estado de retención al estado de seguimiento.

La velocidad es la principal limitación del circuito detector de picos clásico de la figura 1. El voltaje de salida no puede cambiar más rápido que la carga de C1. La velocidad a la que se carga C1 está limitada por la corriente de salida de cortocircuito de U1, la caída de tensión directa de D2, la velocidad de conmutación de D2 y el aumento exponencial debido a la constante de tiempo formada por R1 y C1.

La velocidad y el error del circuito de la figura 2 son mejores que los del circuito de la figura 1. Las mejoras son el resultado de abordar algunas de las limitaciones del detector de picos clásico. Observe que el diodo rectificador se ha cambiado a un tipo de barrera Schottky. Este cambio reduce la caída de tensión directa que aumenta la corriente de carga inicial a través de C1. Además, el tiempo de recuperación más rápido del diodo Schottky acelera la transición del estado de seguimiento al estado de espera. Además, la menor carga de recuperación inversa del diodo schottky reduce el error de pedestal en el C1.

Aunque la caída de voltaje en el diodo Schottky es menor, se traduce directamente en la salida porque no hay un circuito de retroalimentación externo para compensarlo como lo hay en el circuito clásico de la figura 1. Este circuito compensa esta caída de diodo al equilibrarlo con un diodo Schottky coincidente en el circuito de retroalimentación local de U1. Las dos caídas de diodos se cancelarán en su mayoría si los diodos coincidentes tienen una polarización similar. R2 establece la corriente de polarización en D1 que permitirá que la caída de voltaje de D1 cancele la caída de voltaje de D2 y minimice este error.

R5 y R6 forman un divisor de voltaje resistivo que reduce el nivel del voltaje de entrada. D3 sujeta el voltaje de entrada a una caída de diodo por debajo de 0 V, lo que evita que U1 y U2 tengan rieles de suministro negativos.

El LTC6244 es un amplificador operacional CMOS estable de ganancia unitaria dual de alta velocidad que cuenta con un ancho de banda de ganancia de 50 MHz, velocidad de respuesta de 40 V/μs, 1 pA de corriente de polarización de entrada, baja capacitancia de entrada y oscilación de salida de riel a riel. El ruido de 0,1 Hz a 10 Hz es de solo 1,5 μV_PÁGINAS y se garantiza que el ruido de 1 kHz sea inferior a 12 nV/√Hz. Este excelente rendimiento de CA y de ruido se combina con una operación de amplio rango de suministro, un voltaje de compensación máximo de solo 100 μV y una deriva de solo 2,5 μV/°C, lo que lo hace adecuado para su uso en esta aplicación.

El circuito de la figura 3 aprovecha los métodos del detector de picos mejorado de la figura 2 y agrega un refuerzo de corriente para aumentar la corriente de carga de C1. El detector de pico potenciado actual reemplaza los diodos emparejados con transistores de unión bipolar (BJT) NPN emparejados. El circuito funciona exactamente igual que el circuito de la figura 2 pero carga C1 considerablemente más rápido.

Esta topología ofrece algunas alternativas al enfoque del diodo Schottky. La corriente de carga de C1 aumenta en un factor igual a la ganancia de corriente de la configuración BJT del colector común. Además, esta topología presenta una impedancia de fuente inferior a C1. R3 ya no es necesario porque el seguidor de emisor tiene una mayor capacidad de generación de corriente que U2. Como resultado, la constante de tiempo de carga se ha eliminado por completo. La velocidad del circuito en la figura 3 está limitada por el menor ancho de banda de U2 y la frecuencia de ganancia unitaria del seguidor de emisor (f_T). La caída de voltaje de la unión base-emisor de Q1 puede ser cancelada por la unión base-emisor de Q2 de la misma manera que el equilibrio D2 y D3 de la figura 2.

Al comparar el rendimiento de los dos detectores de picos de alta velocidad, la Figura 4 muestra que ambos circuitos funcionan igual de bien a 60 kHz y la Figura 5 muestra que la modificación del refuerzo de corriente aumenta el ancho de banda.

Las mejoras del detector de picos potenciado de corriente de la figura tres no son gratuitas. Sin embargo, para aplicaciones en las que la velocidad y la precisión importan, estas mejoras en el circuito bien podrían valer la disipación de potencia adicional, el número de piezas y la complejidad.