Устройства выборки-хранения

При обработке аналоговой информации часто бывает необходимо зафиксировать значение сигнала в некоторый момент времени. Такого рода задача возникает, например, при аналого-цифровом преобразовании. Некоторые типы аналого-цифровых преобразователей могут давать ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. Устройства выборки-хранения (УВХ), выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки (слежения) повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении режима на хранение сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления нового сигнала выборки. УВХ называют также аналоговыми запоминающими устройствами.

Элементом памяти в УВХ является конденсатор.

Схема простейшего УВХ приведена на рис. 3.16, а. Когда ключ замкнут (режим выборки), выходное напряжение схемы повторяет входное. При размыкании ключа U _вых сохраняет свое значение, соответствующее моменту размыкания. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения С на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Основными характеристиками УВХ являются:

1. Напряжение смещения нуля U _см, определяемое смещением нуля ОУ.

2. Дрейф фиксируемого напряжения dU _вых /dt = I _р /С, где I _р – ток разряда конденсатора. Величина I _р складывается из токов утечки конденсатора и коммутатора, а также из входного тока ОУ.

3. Время выборки t _в , которое определяет, как долго при самых неблагоприятных условиях длится заряд конденсатора до величины входного напряжения с заданным уровнем допуска. Это время пропорционально емкости С.

При определенном токе утечки величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости конденсатора С. Однако это ухудшает время выборки.

Простейшая схема УВХ имеет ряд недостатков:

1. При замкнутом ключе источник входного сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. При большом внутреннем сопротивлении источника это увеличивает величину t _в. Для развязки источника и конденсатора необходимо на входе устанавливать буферный повторитель на ОУ, который должен устойчиво работать на емкостную нагрузку.

2. Для уменьшения I _р необходимо использовать выходной ОУ с полевыми транзисторами во входном каскаде. Однако такие ОУ имеют значительное напряжение смещения нуля.

Можно использовать две архитектуры УВХ с двумя буферными усилителями: разомкнутую и замкнутую, различающиеся способами охвата их обратными связями.

В разомкнутой схеме (рис. 3.16, б) входной и выходной буферные усилители включены как повторители напряжения. Преимущество этой схемы – быстродействие. Время выборки и время установления малы, поскольку нет общей обратной связи между буферными усилителями. Недостаток – худшая точность, поскольку ошибки по постоянному току (в частности, смещения нулей усилителей) складываются. По разомкнутой схеме построены сверхскоростные УВХ AD9100/1.

В моделях УВХ с более высокой статической точностью можно использовать замкнутую схему с повторителем (рис. 3.16, в). Общая обратная связь значительно повышает статическую точность УВХ, хотя несколько снижает быстродействие. Когда ключ замкнут, то вследствие действия общей ООС U _вых отличается от U _вх на величину напряжения смещения первого ОУ.

Типичным представителем замкнутых схем УВХ является разработка фирмы National Semiconductor ИМС LF398 (отечественный аналог – КР1100СК2), которая в течение долгих лет была, по существу, промышленным стандартом и выпускалась многими фирмами. Функциональная схема этой ИМС приведена на рис. 3.17.

Когда ключ замкнут, диоды заперты, так как падение напряжения на них равно напряжению смещения. При размыкании ключа резистор R1 и диоды предотвращают насыщение входного усилителя, которое возникает из-за размыкания цепи общей ООС. Это снижает время переходного процесса при последующем замыкании ключа. Входной усилитель обеспечивает высокое входное сопротивление УВХ. Он выполнен по схеме с биполярными транзисторами на входе, что позволяет получить малое смещение нуля (в пределах 5 мВ). Резистор R2 с сопротивлением порядка 300 Ом ограничивает ток заряда конденсатора. Вывод 8 является управляющим, вывод 7 предназначен для установки порога переключения управляющего сигнала.

Основные параметры микросхемы LF398: напряжение питания ±15 В; напряжение смещения нуля не более 7 мВ; ток утечки конденсатора хранения не более 0,2 нА; время выборки 20 мкс при С = 10 нФ и 4 мкс при С = 1 нФ; погрешность коэффициента передачи не более 10^–4.