样品和保持电路

在本教程中,我们将学习样本和保持电路。它们是模拟转换器的关键部分,并帮助模拟信号转换为数字信号。我们将看到一个简单的样本和保持电路,其工作,不同类型的电路实现和一些重要的性能参数。

介绍

样品和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,以对输入模拟信号进行采样并保持采样信号,因此名称“样本和保持”。

在S / H电路中,模拟信号在短时间内进行采样,通常在10μs至1μs的范围内。在此之后,采样值持有,直到要采样的下一个输入信号的到达。保持样本的持续时间通常在几秒钟之间几秒钟之间。

以下图像显示了典型样本和保持电路的简单框图。

样本和保持电路框图

需要样品和保持电路

如果ADC的输入模拟电压会改变大于±1/2 LSB,则输出数字值是错误的。对于ADC产生准确的结果,输入模拟电压应保持恒定的转换持续时间。

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,并将输出值保持在其输出,直到到达下一个采样命令。

以下图像显示了典型样本和保持电路的输入和输出。

SH电路波形

简单的样品和保持电路

让我们在简化电路图的帮助下了解S / H电路的操作原理。该样本和保持电路由两个基本组件组成:

  • 模拟开关
  • 保持电容器

以下图像显示基本S / H电路。

简单的样品和保持电路

该电路跟踪输入模拟信号,直到样本命令更改为保持命令。在保持命令之后,电容器在模拟到数字转换期间保持模拟电压。

模拟开关

任何FET都喜欢JFET.或者Mosfet.可用作模拟开关。在这次讨论中,我们将专注于JFET。栅极源电压VGS负责切换JFET。

当VGS等于0V时,JFET在其欧姆区域运行时充当闭合开关。当VGS是一个大负电压时(即比VGS(OFF)更负的负电压,JFET充当开关,因为它被截止。

该开关可以是分流开关或串联开关,具体取决于其相对于输入和输出的位置。以下图像显示了配置为分流开关和系列交换机的JFET。

SH电路开关

样品和保持电路的类型

让我们现在看到一些不同类型的样品和保持电路。请注意,下面提到的电路使用JFET作为交换机。在采样周期期间,JFET打开,并且保持电容器的充电上升到输入模拟电压的电平。

在采样周期结束时,JFET关闭,并且从输入信号隔离保持电容。这使得输出电压在输入电压的值下保持恒定,而不管输入值的微小变化。为了补偿保持电容器上的低丢弃电压,使用两个缓冲器(电压追随者),一个在输入处,一个在输出处。

请记住这一点,让我们看看第一个S / H电路。以下图像显示了开环类型S / H电路。

SH电路1型

由于没有反馈,该电路比即将到来的电路相对较快(这一切都处于闭环配置)。但闭环架构中的反馈提供更高的精度数字。采集时间(在下一节中讨论)必须尽可能低。它取决于三个因素:

  • RC时间常数,其中R是JFET(RON)和C的电阻,C是保持电容器CH。
  • 最大输出电流
  • OP-AMP的拆卸速率

在下一个电路中呈现比第一电路略微改进的电路。在这种配置中,JFET的导通电阻被进入反馈回路,因此,采集时间取决于其他两个因素。

SH电路类型2

通过提供电压增益与先前电路相比,下一个电路进一步提高。可以使用输入电阻R1和反馈电阻器RF计算电路的电压增益,如下所示:

a = 1 +(rF/ R.1

SH电路3型

最终电路提供的优点与前一电路相比。重要的是,保持电容器的位置改变,结果,非反相端子处的电压2等于电容器两端的电压除以开环增益2

SH电路4型

这确保了保持电容器的更快充电时间,随后是更短的采集时间。

性能参数

S / H电路的性能可以通过通常用于输入偏移电压,增益误差,非线性等的放大器的参数表征。但是S / H电路有一些特点。

这些特性有助于在从采样模式转换到保持模式(反之亦然)和在保持模式操作期间分析其性能。让我们在以下图像的帮助下了解这些特征。

SH电路参数

采集时间(tAC.

电荷在保持电容器中升高到采样期间接近输入电压的电平所需的时间被称为采集时间。它受三个因素的影响:

  • RC时间常数
  • OP-AMP的拆卸速率
  • OP-AMP的最大输出电流

光圈时间(tAP

v的启动之间的时间延迟O.跟踪V.一世并且Hold命令的启动称为孔径时间。这种延迟通常是由于传播通过驱动器和开关电路的传播延迟。

对于精确的时序操作,必须通过孔径的量预先启动保持命令。

光圈不确定性(ΔTAP

对于所有样本,孔径时间不会是相同的,并且将从样品中的样品变化。这种不确定性称为孔径不确定性。这将严重影响持有命令的前进。

保持模式沉降时间(tS.

保持模式稳定时间是输出v的时间O.在应用HOLD命令后定居在指定的错误频段(通常为1%,0.1%或0.01%)。

抓住步骤

在从采样模式切换到保持模式期间,在开关和保持电容器之间可能不需要的电荷转移(主要是由于寄生电容)。这将影响电容器电压以及输出电压。来自所需电压的输出电压的这种变化称为保持步骤。

威胁

同样,开关中的寄生电容可能导致V之间的AC耦合O.和V.一世在保持模式下。结果,输出电压可以随输入电压的变化而变化,并且这被称为馈通。

下垂

电压下降是由于泄漏电流而下压电容器上的电压下降的现象。

好处

  • 典型SH电路的主要和重要优点是通过保持采样模拟输入电压来帮助模拟与数字转换过程。
  • 在多通道ADC中,如果不同通道之间的同步很重要,则SH电路可以通过同时采样来自所有通道的模拟信号。
  • 在多路复用电路中,可以通过SH电路减小串扰。

样品和保持电路的应用

以下提到了一些重要的应用程序:

  • 模拟到数字转换器电路(ADC)
  • 数字接口电路
  • 运算放大器
  • 模拟除外器
  • 数据分配系统
  • 存储多路复用器输出
  • 脉冲调制系统

结论

一个完整的初学者在样品和保持电路上的教程。您了解了模拟到数字转换器中的样本和保持电路的重要性,使用MOSFET和电容器,不同类型的样品和保持电路,确定S / H电路性能的一些重要参数以及S&H电路的应用。

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