峰值检波电路（Peak Detector）

💡 电路名称

峰值检波电路（Peak Detector / Peak Hold Circuit / Envelope Detector）

昨天我们讲了 二极管钳位（Clamper）——电容串联在信号路径里、把整个波形"上移"一个直流电平。今天我们继续二极管系列的第三站：峰值检波——与钳位刚好"对偶"，它把波形的峰值抓住并保持住，是 AM 收音机检波的雏形。

• 钳位（Clamper）
  ：像"电梯"，把波形整体平移，关注零电平
• 峰值检波（Peak Detector）
  ：像"水杯"，把波形的最高点接住并保持，关注峰值

峰值检波的效果：把交流信号的正峰值抓住，输出 ≈ Vp - Vd ≈ +4.3V。每个正半周峰值附近，D1 短暂导通给 C1 "补电"；其他时间 D1 截止，C1 经 R1 缓慢放电（τ = R1·C1 = 4.7ms ≈ 4.7·T(1ms)），形成锯齿状跟踪波形——每个周期 Vout 先放电下降、再被下一个峰值补电回 4.3V。

Day 05 我们用 C 平滑整流后的"馒头波"；Day 03/04 讲过二极管单向导通；Day 09 讲了二极管电压卫士的限幅；Day 10 讲了 C+D 的电平移位。今天把三者换个布局：二极管整流 + 电容储能 + 大电阻慢放 = 峰值保持。这个组合最伟大的应用是 AM 收音机检波——把高频载波上的音频包络"剥"出来 🎵。

🗺️ 电路图

3 个元件，与 Day 10 钳位完全镜像（元件一样，位置互换）：

电路连接：

核心规则：

正半周峰值附近（Vin > Vout + Vd）：D1 导通 → C1 充电到 Vin - Vd（跟踪输入峰值） 其余时间（D1 截止）：C1 经 R1 缓慢放电 → Vout = Vout_prev · exp(-dt / τ) 稳态输出：Vout ≈ Vp - Vd ≈ +4.3V（峰值保持，纹波 < 1%） 

关键算例（Vin = ±5V 正弦，C1 = 470nF，R1 = 10kΩ）：

• 稳态电容电压
  ：Vc = Vp - Vd = 5 - 0.7 = 4.3V
• 放电时间常数
  ：τ = R1·C1 = 10kΩ × 470nF = 4.7ms（≈ 信号周期 1ms 的 4.7 倍）
• 稳态纹波
  ：ΔV ≈ Vp × (1 - exp(-T/τ)) ≈ Vp × (T/τ) = 5 × (1ms/4.7ms) ≈ 1.06V（实测 ~750mV，锯齿状跟踪）
• D1 导通时机
  ：只在每个正半周峰值附近约 21% 时间段里短暂导通（窄脉冲）
• I(D1) 启动峰值
  ：（Vin + Vd）/源内阻 → 启动时约 15mA 大脉冲

💡 关键观察：峰值检波的本质 = "整流 + 储能 + 慢放"。Day 10 钳位的 C 是串联、D 在输出到地；今天反过来，D 串联、C 在输出到地——元件一样，位置互换，功能从"平移波形"变成"抓住峰值"。一字之差，乾坤大挪移！

🌊 输入/输出波形对比

图 1：正弦峰值检波（启动 + 稳态，5 个周期）

关键观察：

• 🔵 上半图（Vin）：±5V 正弦波，5 个完整周期
• 🔴 下半图（Vout）： 

  • 第一个周期
    ：C1 从 0V 充电爬升到 ~4.3V（启动过程，橙色箭头 + 灰色阴影）
  • 3~5ms
    ：稳定保持 ~4.3V（稳态过程，绿色阴影）
  • 稳态纹波
    ：~756mV（约 15% Vp），呈锯齿状——每个周期 Vout 从 ~4.3V 放电降到 ~3.5V，再被下一个峰值补电回 4.3V
• 🟢 绿色虚线 4.3V：理论稳态电平（= Vp - Vd），与仿真曲线几乎完全重合
• 💡 核心结论：第一个周期"充电爬升"，之后"死死卡住"——这就是峰值检波的两阶段

图 2：AM 包络检波（峰值检波 → 包络检波，AM 收音机的灵魂）

关键观察：

• 🔵 上半图（AM 信号）：载波 100kHz 被 1kHz 包络调制（调制度 80%） 

  • 高频密实波形
     = 100kHz 载波（眼睛看不清，但绿线显示包络）
  • 绿线（理论包络）
     = 1+0.8·sin(2π·1k·t)
• 🔴 下半图（Vout 检波输出）：完美跟踪 AM 包络（绿色虚线） 

  • 载波被滤掉
    ：只看到 1kHz 包络，不再有 100kHz 振荡
  • 峰值范围
    ：~0.3V（谷）~ 4.3V（峰），完美对应调制度 80%
• 💡 核心启示：这就是 AM 收音机的原理！ 天线收到 100kHz 载波 + 1kHz 音频包络 → 峰值检波 → 扬声器还原出 1kHz 声音。

🎵 AM 收音机类比：把 AM 信号想象成一列高速列车（100kHz），每个车厢里装着一个小包裹（音频信号）。峰值检波就像"截获最大车厢的尺寸"，把"车厢尺寸"提取出来 → 还原音频。峰值检波就是 AM 信号的"开箱器" 📦。

🔬 LTspice 真实仿真（V1 = SINE ±5V 1kHz，D1 = 1N4148，C1 = 470nF，R1 = 10kΩ，.tran 0 5m）

📐 LTspice 仿真电路原理图

电路连接（LTspice 26 实际仿真电路，用户修改布局 + 元件值后）：

• V1
  （SINE(0 5 1000) 正弦源）：左侧，提供 ±5V 1kHz 输入
• D1
  （1N4148）：串联在信号路径，anode 接 VIN、cathode 接 VOUT
• C1
  （470nF）：VOUT → GND（储能电容）
• R1
  （10kΩ）：VOUT → GND（泄放电阻，与 C1 并联）
• 仿真命令
  ：.tran 0 5m → 瞬态仿真 5ms（5 个完整周期）

💡 参数选择说明（τ≈5·T）：选 C1=470nF、R1=10kΩ（τ=4.7ms ≈ 4.7·T）有双重好处：

• 理论意义
  ：刚好能体现"放电未完就被补电"的物理过程，是峰值检波机制的最直观演示
• 教学价值
  ：纹波 ~750mV（≈17% Vp），锯齿状跟踪清晰可见，比 τ=100·T 时"近乎直线"的波形更能说明"输出跟随输入峰值"的动态
• 如果追求"几乎完美的峰值保持"（纹波 <5%），选 C1=1µF、R1=100kΩ（τ=100ms）即可——代价是输出像一条水平线，看不到跟踪过程

📊 LTspice 真实仿真波形

(a) Vin vs Vout 叠加 —— 锯齿状峰值跟踪（核心观察）