了解采样和保持电路

2022-05-19

了解采样和保持电路

采样和保持电路是一种模拟设备，它获取不断变化的模拟信号的电压并将其保持在一致的电平一段时间。采样和保持电路通常用于在模数转换器 (ADC) 中滤除输入信号中的异常，这可能会损害转换。在典型的采样保持电路中，电容器保持电荷，并且至少增加一个开关器件，例如场效应晶体管开关，并且通常增加一个运算放大器（运算放大器）。最简单的采样保持电路原理图如图 1 所示。

图 1：最简单的采样保持电路 

Vs：输出信号

C：电容器

S：作为开关工作的 MOS 晶体管

Va：输入信号 

时钟脉冲激活开关 (S)。根据时钟脉冲，输入信号被采样或保持为最近采样的值。当时钟脉冲为高电平时对输入信号进行采样，并在时钟脉冲为低电平时保留这些值。该电路可以在两种模式下工作，这取决于采样和保持时钟信号的逻辑电平。时钟切换的输入脉冲和电路的输出如下图所示。

图 2：开关时钟脉冲和电路输出

为什么需要采样和保持电路？ 

如果 ADC 的输入模拟电压摆动超过 ± 1/2 LSB，则输出数字值可能是错误的。为了使 ADC 高效工作并提供正确的结果，输入源的模拟电压应在转换期间保持恒定。响应采样命令，输入模拟信号由采样保持电路采样并存储输出值，直到接收到下一个采样命令。 

采样和保持电路的类型 

用于采样和存储数据的电路有多种设计和尺寸。我们将讨论一些采样和保持电路。值得注意的是，以下每个电路都使用 JFET 作为开关。在电路中，JFET 在采样时间内打开，在此期间保持电容中的电荷达到最大值，不能超过输入信号。当采样周期结束时，JFET 关断，保持电容与输入信号断开。通过断开电容，确保输出与输入电压保持一致，并且不随输入信号的变化而变化。可能是保持电容两端的电压具有低压差并且使用这两个缓冲器来补偿的情况，一个在输出端，另一个在输入端。 

第一种采样保持电路如下图所示，称为开环电路。

图3：开环式采样保持电路 

由于这是一个开环电路，因此它被认为是比其他闭环电路更快的采样和保持电路。由于该电路中没有反馈（闭环配置），因此它比闭环电路更快。另一方面，闭环设计通过反馈产生更高的精度。对于采样和保持电路，采集时间是一个关键因素，必须尽可能短。采集时间主要取决于三个因素；(i) OpAmp 压摆率，(ii) 达到的最大输出电流，以及 (iii) RC 时间常数，其中 C 代表保持电容，R 代表导通电阻。 

下面的反馈回路电路是前一个的改进变体。因为 JFET 的导通电阻包含在反馈回路中，所以其他两个参数决定了采集时间。

图 4：闭环采样保持电路 

通过提供电压增益，以下电路表现出色。要计算电路的电压增益，可以使用反馈电阻器 (Rf) 和输入电阻器 (R1)（电压增益的公式如下所示）。

A = 1 + (Rf / R1)

图 5：闭环采样和保持电压增益电路 

最后一个电路比前一个电路提供了一些优势。最重要的变化是保持电容的位置，这导致 的同相端电压相等，电容两端的电压除以放大器的增益。因此，保持电容充电更快，从而导致更快的采集时间。

图 6：具有同相端子的闭环采样和保持电压增益电路

采样和保持电路操作 

下面显示了一个典型的采样和保持操作电路，以及实际的组件。 

如上面的电路设计所示，使用了一个电容器、一个运算放大器和一个 N 沟道 JFET。2N4339 晶体管的栅极端子连接到命令输入（PWM 输入）。为了控制 JFET 的操作，二极管 1N4007 连接在 JFET 和命令输入之间。 

该电路中使用的 JFET 是具有高增益的低噪声 N 沟道 JFET。JFET 的导通取决于栅源电压，它仅在该电压在 -0.3V 和 -50V 之间时导通（此 JFET 的最大值为 50）。对于本电路，脉冲值设置为 15V，命令输入值的开始设置为 -15V。当命令输入电压为负时，二极管正向偏置，推动晶体管导通，反之亦然。 

该电路需要一个电压跟随器电路，在这个电路中是一个运算放大器（741），因为这个运算放大器具有低输出阻抗和高输入阻抗。当输入信号具有低电流时使用电压跟随器，因为它可以为后续步骤提供足够的电流。 

当命令输入为高电平时，晶体管关闭，电容器开始充电至最大值。此操作将在晶体管导通状态期间存储输入信号的样本。当命令输入为低电平时，晶体管作为开路开关运行，这导致电容器具有高阻抗，从而防止放电并允许电荷长时间存储，这称为保持期。每个 S/H 电路都需要一些时间来对输入信号进行采样，这段时间称为采样周期。 

性能参数 

采样和保持电路的质量使用不同的因素进行测量，包括非线性、增益误差、输入失调电压和其他放大器特定的指标。另一方面，采样和保持电路具有一些显着特征。所有这些特性都可用于评估器件在保持模式下的操作以及从采样到保持模式的转换过程中的性能。下图可以帮助我们更好地理解这些品质。

采集时间（tac）：

在采样期间，采集时间是保持电容中的电荷达到接近输入电压的水平所需的时间。它受三个因素影响：

RC 时间常数是用于计算时间长度的常数

Op-Slew-Rate Amp's 是晶体管中的晶体管中的晶体管中的晶体管中的晶体管的速率

运算最大放大器的输出电流 

光圈时间： 

这是保持命令开始和 VO 监控 Vi 之间的延迟。跨驱动器和开关电路的传播延迟是这种延迟的最常见来源。保持命令必须提前一个孔径时间启动，以获得最佳时序。 

孔径不确定度：

孔径时间并不一致，并且因样本而异。这种类型的不确定性被称为孔径不确定性。这将对保持指挥部的发展产生重大影响。 

保持模式稳定时间： 

应用保持命令后，输出 (V O ) 在特定误差带百分比（0.01%、0.1% 或 1%）内的稳定时间称为保持模式稳定时间。

保持步骤： 

在从采样模式切换到保持模式时，寄生电容可能会导致保持电容器和开关之间发生意外的电荷转移。这对电容器电压和输出电压都有影响。保持步长是输出电压和所需值之间的差值。 

馈通： 

在保持模式下，开关的寄生电容可能会在 V I和 V O之间产生交流耦合。出现馈通现象，导致输出电压随输入电压的变化而变化。

下垂： 

当漏电流使保持电容器两端的电压下降时，就会产生电压下降。 

好处： 

传统 SH 电路的主要优势在于它可以帮助获取 ADC 值，同时保持采样的模拟输入电压。

如果同时对来自所有通道的模拟样本进行采样，则采样和保持电路可以改善多通道 ADC 中不同通道之间的同步。

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 

S/H 电路有多种用途。以下是此类电路的一些应用：

模数转换器 (ADC)

数字接口

操作用放大器

模拟信号解复用器

数据分发系统

多路复用器输出被存储。

脉冲调制系统 (PMS) 是一种脉冲调制系统

结论 

模数转换器中的采样和保持电路是一个简单的采样和保持电路，它采用 MOSFET 和电容器，以及其他类型的采样和保持电路，一些影响采样和保持电路性能的重要标准，以及采样和保持电路应用。