一种窄脉冲峰值采样保持电路及其控制方法与流程

本发明涉及功率器件结温监测的技术领域，尤其是指一种窄脉冲峰值采样保持电路及其控制方法。

背景技术：

在功率器件结温在线监测中，运用电参数法提取结温是一种新的方法。其中源极的寄生电感在器件关断时刻产生的感应电压峰值与其结温相关。一般器件的关断时间为几百纳秒，高速器件甚至低至几十纳秒，而期间产生的脉冲尖峰上升时间会更短，幅值也是变化的，因此设计一种精确度高的纳秒级高速窄脉冲峰值采样保持电路是用该方法实现结温在线监测的必要条件之一。

然而现有的峰值采样保持电路存在带宽不足、跟踪速度慢、精度不够高的缺点。为了满足速度要求，所采用的采样电容多为pf级小电容，在到达峰值后，二极管的寄生电容会导致其电荷的泄漏，采样电容保持的电压会有一定程度的下降，影响了采样峰值的精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种窄脉冲峰值采样保持电路及其控制方法，具有高速高精度的特点，适用于提取高速窄脉冲峰值的场合。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种窄脉冲峰值采样保持电路，包括峰值信号采样保持部分、比较器控制部分、电容电压补偿部分、跟随输出部分和dsp信号控制处理部分，所述比较器控制部分、电容电压补偿部分、跟随输出部分和dsp信号控制处理部分分别与峰值信号采样保持部分相连；所述比较器控制部分包括第二运放和第五电阻，用于控制峰值信号采样保持部分的第二模拟开关在峰值处关断，切断峰值信号采样保持部分的采样电容的漏电流通道，减少电压损失，所述电容电压补偿部分包括第一结型场效应管、第三电阻和第一电容，用于补偿峰值信号采样保持部分的第二结型场效应管因结电容充电而导致的采样电容上的电压损失；其中，所述第二运放的同相输入端分别与峰值信号采样保持部分的第一模拟开关、第一电阻一端和第二电阻一端连接，所述第二运放的反相输入端分别与峰值信号采样保持部分的第一运放的反相输入端、第六电阻一端及第一结型场效应管的栅极连接，所述第二运放的输出端与第五电阻一端连接，所述第五电阻的另一端与峰值信号采样保持部分的第二模拟开关的控制端连接；所述第一结型场效应管的栅极分别与第二运放的反相输入端、第一运放的反相输入端和第六电阻的一端连接，所述第一结型场效应管的源极和漏极分别与第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端分别与峰值信号采样保持部分的第二模拟开关的一端及第一运放的输出端连接。

进一步，所述峰值信号采样保持部分对窄脉冲输入信号vin进行峰值采样，包括第一模拟开关、第一电阻、第二电阻、第一运放、第二模拟开关、第四电阻、第二结型场效应管、第六电阻、第三模拟开关及作为采样电容的第二电容，所述跟随输出部分包括第七电阻、第一三极管和第八电阻；其中，所述第一模拟开关和第三模拟开关的导通和断开由dsp信号控制处理部分通过dsp芯片控制，所述窄脉冲输入信号vin与第一模拟开关的一端相连，所述第一模拟开关的另一端分别与第一电阻的一端、第二电阻的一端和第二运放的同相输入端连接，所述第一电阻的另一端与地连接，所述第二电阻的另一端与第一运放的同相输入端连接，所述第一运放的反相输入端分别与第二运放的反相输入端、第一结型场效应管的栅极、第六电阻的一端连接，所述第一运放的输出端分别与第二模拟开关的一端、第一电容的一端连接，所述第二模拟开关的另一端与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第二结型场效应管的栅极连接，所述第二结型场效应管的源极和漏极分别与第三模拟开关、第二电容的一端和第七电阻的一端连接，所述第二电容的另一端与第三模拟开关的另一端和地连接，所述第六电阻的另一端分别与第一三极管的发射极和第八电阻的一端连接；所述第七电阻的一端与第二结型场效应管的源极和漏极、第三模拟开关的一端和第二电容的一端连接，所述第七电阻的另一端与第一三极管的基极连接，所述第一三极管的集电极与地连接，所述第一三极管的发射级与第八电阻的一端连接，所述第八电阻的另一端接采样的输出电压vout，该输出电压vout通过dsp芯片的adc模块进行采样和保存。

进一步，所述第一运放为跨导型运算放大器。

进一步，所述第二运放为低延迟高速比较器。

本发明提供了一种上述窄脉冲峰值采样保持电路的控制方法，首先，dsp信号控制处理部分输出控制信号(signalinputcontrol)，控制第一模拟开关打开，当窄脉冲输入信号vin在上升阶段时，第二运放的同相端电压大于反相端电压，输出高电平，控制第二模拟开关打开，同时第一运放的同相端电压大于反相端电压，跨导运放输出正向电流，第二结型场效应管导通，给第二电容充电，此时第一运放的反相端电压小于输出端电压，第一结型场效应管截止，第一电容和第一结型场效应管的结电容反向充电存储电荷；当窄脉冲输入信号vin在下降阶段时，输入电压小于输出电压，第一运放的同相端电压小于反相端电压，跨导运放输出电流反向，第二结型场效应管截止，第二电容电压保持在峰值，此时第二电容会向第二结型场效应管的结电容充电，从而导致电压下降，而第一结型场效应管的结电容此时通过补偿回路向第二结型场效应管的结电容充电，补偿了因第二结型场效应管结电容存在而导致的第二电容减少的电荷，降低第二电容的电压降落，进而提高采样峰值的精度，同时，第二运放的同相端电压小于反相端电压，输出低电平，第二模拟开关关断，切断了第二结型场效应管反向电流的通道，减少第二电容的漏电流，降低电压降落，进而提高采样峰值的精度，此时处于保持阶段，第二电容上的电压经过跟随输出部分输出，为输出电压vout，通过dsp信号控制处理部分的dsp芯片的adc模块对输出电压vout进行采样和保存，完成峰值的采样，采样完成后，dsp信号控制处理部分给出放电控制信号(clearsignal)，使第三模拟开关导通，第二电容放电，为下次峰值采样保持做准备。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明电路采用的是跨导型运算放大器，其带宽高，输出阻抗大，输出电流大，满足给采样电容快速充电的要求。

2、本发明电路采用结型场效应管代替肖特基二极管，具有低结电容，低漏电流的特点，减少采样保持电容电荷的损失。

3、本发明电路采用低延迟高速比较器控制模拟开关在峰值处关断，切断采样保持电容的漏电流通道，减少电压损失。

4、本发明电路采用补偿电容补偿结型场效应管的结电容充电导致的采样电容的电压损失，提高采样精度。

因此，本发明电路具有高速高精度的特点，适用于提取高速窄脉冲峰值的场合。

附图说明

图1为窄脉冲峰值采样保持电路原理图；图中，signalinputcontrol是dsp发出的控制第一模拟开关s1的控制信号，用于控制输入信号vin的输入和断开；holdcontrol是由第二运放u2产生的控制第二模拟开关s2通断的控制信号；clearsignal是dsp发出的控制第三模拟开关s3通断的控制信号，用于清除或保持第二电容c2上的电压。

图2为输入信号vin、第二运放u2输出端电压和输出信号vout的波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的窄脉冲峰值采样保持电路，包括峰值信号采样保持部分1、比较器控制部分2、电容电压补偿部分3、跟随输出部分4和dsp信号控制处理部分5，所述比较器控制部分2、电容电压补偿部分3、跟随输出部分4和dsp信号控制处理部分5分别与峰值信号采样保持部分1相连；所述峰值信号采样保持部分1对窄脉冲输入信号vin进行峰值采样，包括第一模拟开关s1、第一电阻r1、第二电阻r2、第一运放u1、第二模拟开关s2、第四电阻r4、第二结型场效应管j1、第六电阻r6、第三模拟开关s3及作为采样电容的第二电容c2；所述跟随输出部分包括第七电阻r7、第一三极管u3和第八电阻r8，用于对采样电容电压的跟随输出并隔离输出电压对前级的影响；所述比较器控制部分2包括第二运放u2和第五电阻r5，用于控制第二模拟开关s2在峰值处关断，切断采样电容的漏电流通道，减少电压损失；所述电容电压补偿部分3包括第一结型场效应管j2、第三电阻r3和第一电容c1，用于补偿峰值信号采样保持部分的第二结型场效应管j1因结电容充电而导致的采样电容上的电压损失；其中，所述第一模拟开关s1和第三模拟开关s3的导通和断开由dsp信号控制处理部分通过dsp芯片控制，第一运放u1为跨导型运算放大器，第二运放u2为低延迟高速比较器；所述第二运放u2的同相输入端分别与第一模拟开关s1、第一电阻r1一端和第二电阻r2一端连接，所述第二运放u2的反相输入端分别与第一运放u1的反相输入端、第六电阻r6一端及第一结型场效应管j2的栅极连接，所述第二运放u2的输出端与第五电阻r5一端连接，所述第五电阻r5的另一端与第二模拟开关s2的控制端连接；所述第一结型场效应管j2的栅极分别与第二运放u2的反相输入端、第一运放u1的反相输入端和第六电阻r6的一端连接，所述第一结型场效应管j2的源极和漏极分别与第三电阻r3的一端连接，所述第三电阻r3的另一端与第一电容c1的一端连接，所述第一电容c1的另一端分别与第二模拟开关s2的一端及第一运放u1的输出端连接；窄脉冲输入信号vin与第一模拟开关s1的一端相连，所述第一模拟开关s1的另一端分别与第一电阻r1的一端、第二电阻r2的一端和第二运放u2的同相输入端连接，所述第一电阻r1的另一端与地连接，所述第二电阻r2的另一端与第一运放u1的同相输入端连接，所述第一运放u1的反相输入端分别与第二运放u2的反相输入端、第一结型场效应管j2的栅极、第六电阻r6的一端连接，所述第一运放u1的输出端分别与第二模拟开关s2的一端、第一电容c1的一端连接，所述第二模拟开关s2的另一端与第四电阻r4的一端连接，所述第四电阻r4的另一端与第二结型场效应管j1的栅极连接，所述第二结型场效应管j1的源极和漏极分别与第三模拟开关s3、第二电容c2的一端和第七电阻r7的一端连接，所述第二电容c2的另一端与第三模拟开关s3的另一端和地连接，所述第六电阻r6的另一端分别与第一三极管u3的发射极和第八电阻r8的一端连接；所述第七电阻r7的一端与第二结型场效应管j1的源极和漏极、第三模拟开关s3的一端和第二电容c2的一端连接，所述第七电阻r7的另一端与第一三极管u3的基极连接，所述第一三极管u3的集电极与地连接，所述第一三极管u3的发射级与第八电阻r8的一端连接，所述第八电阻r8的另一端接采样的输出电压vout，该输出电压vout通过dsp芯片的adc模块进行采样和保存。

如图2所示，给出了输入电压信号vin、第二运放u2输出端电压vcomp、输出电压vout的波形，图中在输入信号vin到达第一个峰值前，u2输出电压vcomp为高电平，到达峰值后变为低电平，输出电压vout保持在第一个峰值，同理，在输入信号vin到达第二个峰值后，输出电压vout保持在第二个峰值。

下面为本实施例上述窄脉冲峰值采样保持电路的工作原理，具体如下：

dsp信号控制处理部分5输出控制信号(signalinputcontrol)，控制第一模拟开关s1打开，当窄脉冲输入信号vin在上升阶段时，第二运放u2的同相端电压大于反相端电压，输出高电平，控制第二模拟开关s2打开，同时第一运放u1的同相端电压大于反相端电压，跨导运放输出正向电流，第二结型场效应管j1导通，给第二电容c2充电，此时第一运放u1的反相端电压小于输出端电压，第一结型场效应管j2截止，第一电容c1和第一结型场效应管j2的结电容反向充电存储电荷；当窄脉冲输入信号vin在下降阶段时，输入电压小于输出电压，第一运放u1的同相端电压小于反相端电压，跨导运放输出电流反向，第二结型场效应管j1截止，第二电容c2电压保持在峰值，此时第二电容c2会向第二结型场效应管j1的结电容充电，从而导致电压下降，而第一结型场效应管j2的结电容此时通过补偿回路向第二结型场效应管j1的结电容充电，补偿了因第二结型场效应管j1结电容存在而导致的第二电容c2减少的电荷，降低第二电容c2的电压降落，进而提高采样峰值的精度，同时，第二运放u2的同相端电压小于反相端电压，输出低电平，第二模拟开关s2关断，切断了第二结型场效应管j1反向电流的通道，减少第二电容c2的漏电流，降低电压降落，进而提高采样峰值的精度，此时处于保持阶段，第二电容c2上的电压经过跟随输出部分4输出，为输出电压vout，通过dsp信号控制处理部分的dsp芯片的adc模块对输出电压vout进行采样和保存，完成峰值的采样，采样完成后，dsp信号控制处理部分给出放电控制信号(clearsignal)，使第三模拟开关s3导通，第二电容c2放电，为下次峰值采样保持做准备。

综上所述，相比现有技术，本发明采用跨导型运算放大器，其带宽高，输出阻抗大，输出电流大，满足给采样电容快速充电的要求；采用结型场效应管代替肖特基二极管，具有低结电容，低漏电流的特点，减少采样保持电容电荷的损失，减小了误差；采用高速比较器控制模拟开关在峰值处关断，切断采样保持电容的漏电流通道，减少电压损失；采用补偿回路补偿了结型场效应管的结电容充电导致的采样电容上的电压损失，提高了采样精度。因此，本发明电路具有高速高精度的特点，适用于提取高速窄脉冲峰值的场合，具有实际应用价值，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。