Устройство выборки-хранения

При сборе аналоговой информации и ее последующем преобразовании бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в определенный момент времени. Некоторые типы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) могут давать непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал изменяется за время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) некоторых типов из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются флуктуации выходного напряжения. Для устранения этих явлений необходимо зафиксировать значение входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП на время преобразования.

Устройства выборки-хранения, выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения – сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки.

Рис. 14. Схема простейшего УВХ (а) и сигналы на его входах и выходах (б)

Рис. 14, а демонстрирует, как можно сделать простейшую схему выборки-хранения. Когда ключ S замкнут, выходное напряжение повторяет входное (состояние 1, рис. 14, б). Чтобы запомнить уровень аналогового сигнала в любой заданный момент, вы просто размыкаете ключ (состояние 2). Высокое полное входное сопротивление буфера на основе операционного усилителя (ОУ, у которого на входе должны быть полевые транзисторы, чтобы входной ток не слиш­ком отличался от нуля) предотвращает нагрузку конденсатора C_хр, так что напряже­ние на нем "хранится" до тех пор, пока ключ не замкнется снова.

Рассмотренная нами схема УВХ имеет ряд принципиальных недостатков. Во-первых, при замкнутом ключе источник сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Во-вторых, операционные усилители с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве выходных повторителей, имеют значительное смещение нуля.

Рассмотрим подробнее схемотехнику устройства выборки-хранения на примере выполненного в виде интегральной микросхемы УВХ типа К1100СК2, выпускаемой отечественной промышленностью (рис. 15). ОУ1 - это повторитель, предназначенный для формирования низкоомного аналога входного сигнала. Ключ S пропус­кает сигнал во время выборки и блоки­рует его прохождение в момент хранения. Конденсатор С_хр запоминает сиг­нал таким, каким он был в момент выключе­ния ключа. ОУ2 - это повтори­тель с большим входным сопротивлением, бла­годаря чему минимизируется ток через конденсатор во время хранения. Величина С_хр выбирается, исходя из компромисса: ток утечки в ключе, и повторителе вызывает спад напряжения на кон­денсаторе С во время запоминания в соответствии с выражением dU/dt=I_утечки/С.

Рис. 15. Функциональная схема промышленно выпускаемой интегральной схемы УВХ К1100СК2

В связи с этим для минимиза­ции спада напряжения конденсатор С должен быть большой емкости. Однако, сопротивление ключа во включенном состоянии образует в сочетании с этим конденсатором фильтр низких частот. В связи с этим C_хр должен быть небольшой емкости, тогда высокочастотные сигналы, проходящие на выход схемы при замкнутом ключе, не будут искажаться.

ОУ1 должен обеспечивать ток заряда конденсатора равный I=C(dU/dt) и должен обладать достаточной ско­ростью нарастания для повторения вход­ного сигнала. На практике скорость на­растания всей схемы обычно ограничи­вается выходным током первого ОУ и сопротив­лением ключа во включенном состоянии.

ОУ1 управ­ляет емкостной нагрузкой. Поэтому используются операционные усилители, обладающие стабильностью при единичном коэффициенте усиления и большой емкостной нагрузке (до 0,1 мкФ).

Заметьте, что схема на рис. 15 имеет общую отрицательную обратную связь (ООС): с выхода ОУ2 на инвертирующий вход ОУ1. Когда ключ замкнут, потенциал выхода ОУ1, вследствие действия ООС, устанавливается таким, что U_вых отличается от U_вх на величину напряжения смещения ОУ2. При этом смещение, возникающее из-за наличия ключа и ОУ2 компенсируется. Диоды D1 и D2 в этом состоянии заперты, так как напряжение на них, равное указанному смещению, достаточно мало (1-20 мВ).

При размыкании ключа управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R1 и диоды предотвращают насыщение ОУ1, которое могло бы возникнуть из-за разрыва петли ООС в этом режиме. Резистор R2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.

К точностным характеристикам УВХ относится напряжение смещения нуля, определяемое смещением ОУ1 (обычно не очень велико, в пределах 5 мВ, если применяется ОУ с биполярными транзисторами на входе) и дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости конденсатора хранения (для различных УВХ от 10^-3 до 10^-1 В/c при емкости C_хр=1000 пФ). Величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости C_хр. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

К динамическим характеристикам УВХ относят: время выборки, показывающее как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения с заданным уровнем допуска; и апертурную задержку – период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием ключа.

Су­ществует множество интегральных схем выборки-хранения, обладающих хорошими ха­рактеристиками. Ряд схем включает в себя внутрен­ний конденсатор хранения и гарантирует макси­мальное время выборки в десятки или сотни наносекунд при точности 0,01% для сигнала величиной 10 В. Величина апертурной задержки для популярных УВХ не превышает 100 нс.

Проблемы выбора конденсаторов для построения схем выборки-хранения. Конденсаторам присущи недостатки. Прежде всего это утечка (отличное от бесконечного параллельное сопротивление), последо­вательное сопротивление и индуктивность, ненулевой температурный коэффициент емкости. Реже вспоминают про диэлектрическое поглощение (ДП) – явление, которое очень сильно проявляет себя в следующей ситуации: возьмем конденсатор большой емкости, заряженный до напряжения в несколько вольт и быстро его разрядим, подключив к выводам резистор сопротивлением в несколько десятков Ом. Удалим резистор и понаблюдаем за напряжением на конденсаторе с помощью вольтметра с большим входным сопротивлением. Напряжение на конденсаторе будет восстанавливаться, и за несколько секунд достигнет примерно 5-10% от величины начального напряжения.

Данное явление недостаточно изучено. Полагают, что оно связано с остаточной поляризацией диэлект­рического вещества между обкладками конденсатора. Особенно плохим в этом отноше­нии является такой диэлектрик, как слюда с присущей ей слоистой структурой. С точки зрения схемы доба­вочная поляризация проявляет себя так, как если бы к выводам конденсатора подключили ряд последова­тельных RC-цепочек с постоянными времени в диапазоне от микросекунд до нескольких секунд. Этот неприятный эффект может порождать серьезные ошибки в УВХ, интеграторах и других аналого­вых схемах, которые рассчитаны на идеальные характеристики конденсаторов.

По свойству ДП диэлектрики конденсаторов существенно отличаются друг от друга. Поэтому конденсаторы нужно выби­рать как можно тщательней (с этой точки зрения наилучшим диэлектриком является фторопласт). В особых слу­чаях можно прибегнуть к компенсационным схемам, в которых влияние диэлектрического поглощения электрически устраняют с помощью тщательно настроенных RС-цепочек, включенных в комплекс с запоминающим конденсатором. Этот метод очень сложен в расчете и иногда используется в высококачественных моду­лях УВХ.