采样保持电路

在本教程中，我们将学习采样和保持电路。它们是模拟数字转换器的重要组成部分，有助于精确地将模拟信号转换为数字信号。我们将看到一个简单的示例和保持电路，它的工作，不同类型的电路实现和一些重要的性能参数。

简介

采样保持电路，有时表示为S/H电路或S & H电路，通常与模数转换器一起使用，对输入模拟信号进行采样并保持采样信号，因此称为“采样保持”。

在S/H电路中，模拟信号的采样时间间隔很短，通常在10µS到1µS之间。在此之后，采样值保持，直到下一个要采样的输入信号到达。保存样本的时间通常在几毫秒到几秒之间。

下图是典型采样和保持电路的简单框图。

需要采样和保持电路

如果ADC的输入模拟电压变化超过±1/2 LSB，那么输出数字值很有可能是错误的。为了ADC产生精确的结果，输入模拟电压应该在转换期间保持恒定。

顾名思义，S/H电路基于采样命令对输入模拟信号进行采样，并在输出端保持输出值直到下一个采样命令到达。

下图显示了一个典型采样和保持电路的输入和输出。

简单采样和保持电路

让我们借助简化的电路图来了解S/H电路的工作原理。这个采样和保持电路由两个部分组成基本组件：

• 模拟开关
• 持有电容器

下图显示了基本的S/H电路。

该电路跟踪输入模拟信号，直到示例命令更改为保持命令。在hold命令之后，电容在模拟到数字转换过程中保持模拟电压。

模拟开关

任何这样的场效应晶体管JFET或场效应晶体管可以用作模拟开关。在本讨论中，我们将集中讨论JFET。门源电压VGS负责开关JFET。

当VGS等于0V时，JFET作为一个闭合开关，因为它在欧姆区域内工作。当VGS是一个大的负电压(即比VGS(OFF)更负)，JFET作为一个打开开关，因为它是截止。

开关可以是并联开关也可以是串联开关，这取决于它相对于输入和输出的位置。下图显示JFET既配置为分流开关又配置为串联开关。

采样和保持电路的类型

现在让我们看看几种不同类型的采样和保持电路。注意，下面提到的所有电路都使用JFET作为开关。在采样期间，JFET被打开，保持电容中的充电上升到输入模拟电压的水平。

在采样周期结束时，JFET关闭，保持电容与输入信号隔离。这确保输出电压保持在输入电压的值恒定，而不考虑输入值的微小变化。为了补偿通过保持电容的低退出电压，使用了两个缓冲器(电压跟踪器)，一个在输入，一个在输出。

记住这一点，让我们来看看第一个S/H回路。下图显示了开环型S/H电路。

由于没有反馈，这个电路相对于后面的电路(都是闭环配置)要快一些。但是闭环体系结构中的反馈提供了更高的精度数据。获取时间(下一节将讨论)必须尽可能低。它取决于三个因素:

• RC时间常数，其中R是JFET的ON电阻(ron)， C是保持电容CH。
• 最大输出电流
• 运算放大器的回转率

下一个电路比第一个电路稍作改进。在这种配置中，JFET的ON电阻被引入到反馈回路中，因此，采集时间依赖于其他两个因素。

下一个电路与前一个电路相比，通过提供电压增益进一步改进。电路的电压增益可以用输入电阻R1和反馈电阻RF计算如下:

A = 1 + (r_F/ R₁）

最后一个电路比前一个电路有更多的优点。其中最重要的一点是改变了持电电容的位置，导致a的非逆变端电压发生变化₂等于电容上的电压除以A₂．

这保证了持有电容更快的充电时间，随后更短的采集时间。

性能参数

S/H电路的性能可以用放大器常用的参数来表征，如输入偏移电压、增益误差、非线性等。但是有一些特性是S/H电路特有的。

这些特征有助于分析从采样模式到保持模式(反之亦然)转换期间的性能以及保持模式操作期间的性能。让我们通过下面的图片来了解这些特征。

采集时间(t_交流）

在采样过程中，保持电容中的电荷上升到接近输入电压的水平所需的时间称为采集时间。它受三个因素的影响:

• RC时间常数
• 运算放大器的回转速率
• 运算放大器的最大输出电流

孔径时间(t)_美联社）

V起始之间的时间延迟_o跟踪V_我启动保持命令称为光圈时间。这种延迟通常是由于通过驱动器和开关电路的传播延迟。

对于精确的定时操作，保持命令必须提前启动一定的光圈时间。

孔径不确定度(∆t_美联社）

光圈时间不会对所有的样品都是一样的，每个样品都是不同的。这种不确定度称为光圈不确定度。这将严重影响hold command的推进。

保持模式设置时间(t_年代）

保持模式的设定时间为输出V所占用的时间_o在应用保持命令后，在指定的误差范围内(通常为1%、0.1%或0.01%)。

保持一步

在从采样模式切换到保持模式的过程中，开关和保持电容之间可能会发生不必要的电荷转移(主要是由于寄生电容)。这将影响电容电压以及输出电压。输出电压从所需电压的变化称为保持步长。

直通的

同样，开关中的寄生电容可能导致V和V之间的交流耦合_o和V_我在保持状态。因此，输出电压可能随着输入电压的变化而变化，这被称为馈通。

下垂

电压下降是一种现象，通过持有电容的电压下降，由于泄漏电流。

优势

• 典型的SH电路的主要和重要的优点是通过保持采样的模拟输入电压来辅助模拟到数字的转换过程。
• 在多通道adc中，不同通道之间的同步非常重要，SH电路可以帮助从所有通道同时采样模拟信号。
• 在多路复用电路中，可以使用SH电路来减少串扰。

采样保持电路的应用

以下是一些重要的应用:

• 模数转换电路(ADC)
• 数字接口电路
• 运算放大器
• 模拟De-multiplexers
• 数据分配系统
• 多路复用器输出的存储
• 脉冲调制系统

结论

一个完整的初学者教程的采样和保持电路。在模拟到数字转换器中，您学习了采样和保持电路的重要性，使用MOSFET和电容的简单S/H电路，不同类型的采样和保持电路，决定S/H电路性能的一些重要参数，以及S&H电路的应用。