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了解采樣和保持電路
了解采樣和保持電路
采樣和保持電路是一種模擬設(shè)備，它獲取不斷變化的模擬信號(hào)的電壓并將其保持在一致的電平一段時(shí)間。采樣和保持電路通常用于在模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 中濾除輸入信號(hào)中的異常，這可能會(huì)損害轉(zhuǎn)換。在典型的采樣保持電路中，電容器保持電荷，并且至少增加一個(gè)開關(guān)器件，例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)，并且通常增加一個(gè)運(yùn)算放大器（運(yùn)算放大器）。最簡(jiǎn)單的采樣保持電路原理圖如圖 1 所示。
圖 1：最簡(jiǎn)單的采樣保持電路
Vs：輸出信號(hào)
C：電容器
S：作為開關(guān)工作的 MOS 晶體管
Va：輸入信號(hào)
時(shí)鐘脈沖激活開關(guān) (S)。根據(jù)時(shí)鐘脈沖，輸入信號(hào)被采樣或保持為最近采樣的值。當(dāng)時(shí)鐘脈沖為高電平時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并在時(shí)鐘脈沖為低電平時(shí)保留這些值。該電路可以在兩種模式下工作，這取決于采樣和保持時(shí)鐘信號(hào)的邏輯電平。時(shí)鐘切換的輸入脈沖和電路的輸出如下圖所示。
圖 2：開關(guān)時(shí)鐘脈沖和電路輸出
為什么需要采樣和保持電路？
如果 ADC 的輸入模擬電壓擺動(dòng)超過 ± 1/2 LSB，則輸出數(shù)字值可能是錯(cuò)誤的。為了使 ADC 高效工作并提供正確的結(jié)果，輸入源的模擬電壓應(yīng)在轉(zhuǎn)換期間保持恒定。響應(yīng)采樣命令，輸入模擬信號(hào)由采樣保持電路采樣并存儲(chǔ)輸出值，直到接收到下一個(gè)采樣命令。
采樣和保持電路的類型
用于采樣和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電路有多種設(shè)計(jì)和尺寸。我們將討論一些采樣和保持電路。值得注意的是，以下每個(gè)電路都使用 JFET 作為開關(guān)。在電路中，JFET 在采樣時(shí)間內(nèi)打開，在此期間保持電容中的電荷達(dá)到最大值，不能超過輸入信號(hào)。當(dāng)采樣周期結(jié)束時(shí)，JFET 關(guān)斷，保持電容與輸入信號(hào)斷開。通過斷開電容，確保輸出與輸入電壓保持一致，并且不隨輸入信號(hào)的變化而變化?？赡苁潜３蛛娙輧啥说碾妷壕哂械蛪翰畈⑶沂褂眠@兩個(gè)緩沖器來補(bǔ)償?shù)那闆r，一個(gè)在輸出端，另一個(gè)在輸入端。
第一種采樣保持電路如下圖所示，稱為開環(huán)電路。
圖3：開環(huán)式采樣保持電路
由于這是一個(gè)開環(huán)電路，因此它被認(rèn)為是比其他閉環(huán)電路更快的采樣和保持電路。由于該電路中沒有反饋（閉環(huán)配置），因此它比閉環(huán)電路更快。另一方面，閉環(huán)設(shè)計(jì)通過反饋產(chǎn)生更高的精度。對(duì)于采樣和保持電路，采集時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素，必須盡可能短。采集時(shí)間主要取決于三個(gè)因素；(i) OpAmp 壓擺率，(ii) 達(dá)到的最大輸出電流，以及 (iii) RC 時(shí)間常數(shù)，其中 C 代表保持電容，R 代表導(dǎo)通電阻。
下面的反饋回路電路是前一個(gè)的改進(jìn)變體。因?yàn)?span> JFET 的導(dǎo)通電阻包含在反饋回路中，所以其他兩個(gè)參數(shù)決定了采集時(shí)間。
圖 4：閉環(huán)采樣保持電路
通過提供電壓增益，以下電路表現(xiàn)出色。要計(jì)算電路的電壓增益，可以使用反饋電阻器 (Rf) 和輸入電阻器 (R1)（電壓增益的公式如下所示）。
A = 1 + (Rf / R1)
圖 5：閉環(huán)采樣和保持電壓增益電路
最后一個(gè)電路比前一個(gè)電路提供了一些優(yōu)勢(shì)。最重要的變化是保持電容的位置，這導(dǎo)致 的同相端電壓相等，電容兩端的電壓除以放大器的增益。因此，保持電容充電更快，從而導(dǎo)致更快的采集時(shí)間。
圖 6：具有同相端子的閉環(huán)采樣和保持電壓增益電路
采樣和保持電路操作
下面顯示了一個(gè)典型的采樣和保持操作電路，以及實(shí)際的組件。
如上面的電路設(shè)計(jì)所示，使用了一個(gè)電容器、一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè) N 溝道 JFET。2N4339 晶體管的柵極端子連接到命令輸入（PWM 輸入）。為了控制 JFET 的操作，二極管 1N4007 連接在 JFET 和命令輸入之間。
該電路中使用的 JFET 是具有高增益的低噪聲 N 溝道 JFET。JFET 的導(dǎo)通取決于柵源電壓，它僅在該電壓在 -0.3V 和 -50V 之間時(shí)導(dǎo)通（此 JFET 的最大值為 50）。對(duì)于本電路，脈沖值設(shè)置為 15V，命令輸入值的開始設(shè)置為 -15V。當(dāng)命令輸入電壓為負(fù)時(shí)，二極管正向偏置，推動(dòng)晶體管導(dǎo)通，反之亦然。
該電路需要一個(gè)電壓跟隨器電路，在這個(gè)電路中是一個(gè)運(yùn)算放大器（741），因?yàn)檫@個(gè)運(yùn)算放大器具有低輸出阻抗和高輸入阻抗。當(dāng)輸入信號(hào)具有低電流時(shí)使用電壓跟隨器，因?yàn)樗梢詾楹罄m(xù)步驟提供足夠的電流。
當(dāng)命令輸入為高電平時(shí)，晶體管關(guān)閉，電容器開始充電至最大值。此操作將在晶體管導(dǎo)通狀態(tài)期間存儲(chǔ)輸入信號(hào)的樣本。當(dāng)命令輸入為低電平時(shí)，晶體管作為開路開關(guān)運(yùn)行，這導(dǎo)致電容器具有高阻抗，從而防止放電并允許電荷長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，這稱為保持期。每個(gè) S/H 電路都需要一些時(shí)間來對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，這段時(shí)間稱為采樣周期。
性能參數(shù)
采樣和保持電路的質(zhì)量使用不同的因素進(jìn)行測(cè)量，包括非線性、增益誤差、輸入失調(diào)電壓和其他放大器特定的指標(biāo)。另一方面，采樣和保持電路具有一些顯著特征。所有這些特性都可用于評(píng)估器件在保持模式下的操作以及從采樣到保持模式的轉(zhuǎn)換過程中的性能。下圖可以幫助我們更好地理解這些品質(zhì)。
采集時(shí)間（tac）：
在采樣期間，采集時(shí)間是保持電容中的電荷達(dá)到接近輸入電壓的水平所需的時(shí)間。它受三個(gè)因素影響：
RC 時(shí)間常數(shù)是用于計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度的常數(shù)
Op-Slew-Rate Amp's 是晶體管中的晶體管中的晶體管中的晶體管中的晶體管的速率
運(yùn)算最大放大器的輸出電流
光圈時(shí)間：
這是保持命令開始和 VO 監(jiān)控 Vi 之間的延遲?？珧?qū)動(dòng)器和開關(guān)電路的傳播延遲是這種延遲的最常見來源。保持命令必須提前一個(gè)孔徑時(shí)間啟動(dòng)，以獲得最佳時(shí)序。
孔徑不確定度：
孔徑時(shí)間并不一致，并且因樣本而異。這種類型的不確定性被稱為孔徑不確定性。這將對(duì)保持指揮部的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。
保持模式穩(wěn)定時(shí)間：
應(yīng)用保持命令后，輸出 (V O ) 在特定誤差帶百分比（0.01%、0.1% 或 1%）內(nèi)的穩(wěn)定時(shí)間稱為保持模式穩(wěn)定時(shí)間。
保持步驟：
在從采樣模式切換到保持模式時(shí)，寄生電容可能會(huì)導(dǎo)致保持電容器和開關(guān)之間發(fā)生意外的電荷轉(zhuǎn)移。這對(duì)電容器電壓和輸出電壓都有影響。保持步長(zhǎng)是輸出電壓和所需值之間的差值。
饋通：
在保持模式下，開關(guān)的寄生電容可能會(huì)在 V I和 V O之間產(chǎn)生交流耦合。出現(xiàn)饋通現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化。
下垂：
當(dāng)漏電流使保持電容器兩端的電壓下降時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓下降。
好處：
傳統(tǒng) SH 電路的主要優(yōu)勢(shì)在于它可以幫助獲取 ADC 值，同時(shí)保持采樣的模擬輸入電壓。
如果同時(shí)對(duì)來自所有通道的模擬樣本進(jìn)行采樣，則采樣和保持電路可以改善多通道 ADC 中不同通道之間的同步。
在多路復(fù)用電路中，可以使用 SH 電路來減少串?dāng)_。
采樣保持電路的應(yīng)用
S/H 電路有多種用途。以下是此類電路的一些應(yīng)用：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)
數(shù)字接口
操作用放大器
模擬信號(hào)解復(fù)用器
數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)
多路復(fù)用器輸出被存儲(chǔ)。
脈沖調(diào)制系統(tǒng) (PMS) 是一種脈沖調(diào)制系統(tǒng)
結(jié)論
模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的采樣和保持電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的采樣和保持電路，它采用 MOSFET 和電容器，以及其他類型的采樣和保持電路，一些影響采樣和保持電路性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，以及采樣和保持電路應(yīng)用。