5_1 采样／保持器.ppt

1、2020/7/22,1,第五章 采样保持器（SH电路）,5.1概述,2020/7/22,2,概 述,采样保持器是指在输入逻辑电平控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路。 在“采样”状态下电路的输出跟踪输入模拟信号。 转为“保持”状态后，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。,2020/7/22,3,微机系统的A/D、D/A通道,模拟通道的结构形式 1）A/D通道的结构形式,单通道 不带S/H直流或低频模拟信号 带S/H高频变化的模拟信号 多通道 每个通道有自己的S/H和ADC并行多通道 各通道有自己的S/H,共享ADC 各通道共享S/H和AD

2、C,2020/7/22,4,2020/7/22,5,最基本的采样保持器,2020/7/22,6,工作原理,当Vc为采样电平时，开关S导通，模拟信号Vi通过S向CH充电，输出电压Vo，跟踪输入模拟信号的变化。 当VC为保持电平时，开关S断开，输出电压Vo保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值。,2020/7/22,7,采样保持器的主要性能参数,2020/7/22,8,1.捕捉时间tAC（Acquisition time）,2020/7/22,9,捕捉时间tAC（Acquisition time）,显然采样时间必须大于捕捉时间，才能保持在采样阶段充分地采集到所需的输入模拟信号。 捕捉时间主要由电路充电

3、时间常数和所要求的逼近精度所决定，还与开关的导通时间、缓冲放大器的压摆率和稳定时间有关。,2020/7/22,10,捕捉时间tAC（Acquisition time）,产品数据表格上给出的tAC，都是相对于某一保持电容和逼近误差而言，同时还假定电路的初始输出为零，输入信号是一定大小（通常为 10V或20V的阶跃电压）。,2020/7/22,11,捕捉时间tAC（Acquisition time）,如 AD582的tAC在CH= 100pF，10 V阶跃输入，0.l的逼近误差时为 6s，而CH=1000pF，0.01的逼近误差时为 25s。 通常 用=RCH来估算捕捉时间tAC 。式中 R为充电

4、回路中的电阻值，CH为保持电容值，若要求逼近精度为0.l，则电容至少应充电到稳态值的99.9%，tAC=7；逼近精度为 0.05，则tAC= 7.6。,2020/7/22,12,2.孔径时间 tAP（Aperture time）,2020/7/22,13,2.孔径时间 tAP（Aperture time）,由于模拟开关有一定的动作滞后，从发出保持指令开始到模拟开关完全断开，电路进入保持状态，输出停止跟踪输入所经历的这段时间称孔径时间tAP。 由于孔径时间的存在，采样时间被额外地延迟了。,2020/7/22,14,孔径时间 tAP（Aperture time）,最大孔径误差等于tAP时间内输入信

5、号的最大时间变化率与tAP的乘积，即： 若输入信号为Vi =Vmsint，其最大变化率为：,2020/7/22,15,孔径时间 tAP（Aperture time）,在数据采集系统中，要求最大孔径误差不超过AD转换器输出数字量的最低有效位（LSB）所代表电压值的一半，即Vomax1/2VLSB。第六章将说明对一个具有n位二进制输出的A/D转换器, 1VLSB= 。 这里VFS是A/D转换器额定的满度输入电压。取VFS=Vm，则孔径误差的相对值应满足下式：,2020/7/22,16,孔径时间 tAP（Aperture time）,由此可得,2020/7/22,17,孔径时间 tAP（Apertu

6、re time）,采样保持器如果具有恒定的孔径时间，可采取措施消除其影响，如把保持指令提前tAP时间发出，则电路的实际输出值就是预定时刻输入信号的瞬时值。 孔径抖动：指多次采样中孔径时间的最大变化量，其值等于最大孔径时间与最小孔径时间之差。孔径抖动的典型数值约比孔径时间小一个数量级左右。,2020/7/22,18,3. 保持电压变化率,在保持阶段，开关S断开，保持电容CH上所充的电荷通过模拟开关的断开电阻Roff1、保持电容泄漏电阻Roff2和负载电阻RL（即输出运放的输入电阻）逐渐泄放： 式中ID是保持阶段流过保持电容CH的总泄漏电流,2020/7/22,19,保持电压变化率,保持电压的变化

7、率常用的单位有Vs、mVs和 mVs等。 增大CH值可减小保持电压的变化率，但CH的增大导致捕捉时间的加长。选用高质量的保持电容，使CH本身的介质漏电和介质吸附效应引起的电荷变化减小。 选用漏电流小的模拟开关，以及采用高输入阻抗的输出运放，可减小总的泄漏电流ID，以达到减小保持电压变化率的目的，从而提高输出信号的质量。,2020/7/22,20,2020/7/22,21,4. 馈送（Feed through）,在保持阶段，虽然模拟开关处于断开状态，由于开关源、漏极间的极间电容和其他途径的耦合作用，使输入信号的变化耦合到输出端称馈送； 这时采样保持电路的输出电压（捕捉到的输入电压的瞬时值）上叠加

8、了馈送所产生的误差电压，相当于纹波干扰。输入信号变化快的区域，馈送影响也大。 馈送误差常用输入电压的百分数或分贝值来表示，它主要取决于开关的极间电容和保持电容的比值。,2020/7/22,22,4. 馈送（Feed through）,2020/7/22,23,2020/7/22,24,2020/7/22,25,5.2 采样保持器的基本结构及工作原理,采样保持器一般由三部分组成：输入、输出缓冲放大器，采样保持开关及其控制逻辑电路，保持电容（即存贮元件）。 采样保持器可用通用元器件组成，也可直接用集成采样保持器，但保持电容一般均需外接。,2020/7/22,26,一、串联型采样保持器,2020/7

9、/22,27,串联型采样保持器,串联型采样保持器，其输出电压的失调误差是两块运放失调误差的代数和，两块运放的共模抑制比有限所引起的共模误差，也会反应在输出端，因此这种电路的精度不够高。 通常选用输入阻抗高（场效应管输入级或超管输入级）、失调参数小、共模抑制比高的运放作为缓冲放大器。若被采样的信号变化速率较高，则应选用高速运放。,2020/7/22,28,二、反馈型采样保持器,反馈型采样保持器是应用较普遍的采样保持电路。其结构特点是将串联型采样保持器的输出端通过电阻反馈到输入端，将两块运算放大器均包括在反馈回路中。其电路如下图所示。,2020/7/22,29,反馈型采样保持器,2020/7/22

10、,30,反馈型采样保持器,采样：开关S1导通，S2断开，运放A1、A2构成跟随器。Vi很快对CH充电，使VCH=Vi，且VCH在A2的输出端输出。从而实现输出跟踪输入的变化。,2020/7/22,31,反馈型采样保持器,保持：开关S1断开，S2导通，保持电容CH两端的电压VCH保持在开关S1断开瞬时的Vi值，输出电压Vo即保持在开关S1断开瞬时的Vi值。,2020/7/22,32,反馈型采样保持器工作原理,开关S2的作用是避免保持阶段由于输入电压的变化引起运放A1饱和 ； 电阻r，用来抑制电路可能产生的振荡，并使运放A1 驱动较大的CH时有平坦的频率特性，但r 的存在限制了CH的充电速度，增大

11、了捕捉时间tAC，所以r取值一般较小，为几十欧姆。（高速采样保持器中r= 0。）,2020/7/22,33,反馈型采样保持器工作原理,保持电容CH的选择，应考虑精度要求，因保持电压的变化率、馈送、采样频率等均与CH 有关； CH的容量一般选取0.010.1F。必须选用低介质吸收效应的电容。,2020/7/22,34,反馈型采样保持器的误差分析,A1的误差,A2的误差,2020/7/22,35,反馈型采样保持器的误差分析,采样阶段：输出跟踪输入的变化，采样保持器的输出电压为,2020/7/22,36,反馈型采样保持器工作原理,因此 :,2020/7/22,37,反馈型采样保持器工作原理,反馈型采

12、样保持器的误差近似于运放A1的失调误差，运放A2的失调误差由于反馈作用而减小到1Ao1，从而可忽略不计。所以反馈型采样保持器具有较高的精度和工作速度。,2020/7/22,38,反馈型采样保持器工作原理,反馈型采样保持器的元器件选择原则与串联型采样保持器相同； 串联型采样保持器提高静态精度的措施是选用失调参数小的运放作输入、输出缓冲放大器。 提高保持精度的措施是选用漏电流小的模拟开关和高质量的保持电容。 反馈型采样保持器中输出运放A2对精度的影响不大。,2020/7/22,39,三、电容校正型采样保持器,图5-5电容校正型采样/保持器电路,2020/7/22,40,电容校型采样保持器工作原理,

13、在输出缓冲放大器的输出端和其反相端之间加有校正电容C1（又称补偿电容），利用补偿电容的充放电效应来补偿保持电容CH上电压的变化。 C1=CH,2020/7/22,41,电容校正型采样保持器,当VC高电平：D1使VGS1VP1 ，S1断开；D2使VGS20，S2导通，S3也导通，电路处于采样状态。,2020/7/22,42,电容校型采样保持器工作原理,采样状态：当VC为高电平时，电路处于采样状态，Vo=Vi。,采样阶段等效电路,2020/7/22,43,电容校型采样保持器工作原理,当Vc为低电平时，S2、S3断开，这时D1反偏使VGS1= 0 V，开关S1导通，电路处于保持状态。,2020/7/

14、22,44,电容校型采样保持器工作原理,当Vc为低电平时，电路处于保持状态。,保持阶段等效电路,2020/7/22,45,电容校型采样保持器工作原理,采样状态：补偿电容C1两端的电压通过开关S3和R放电到零，为加快C1的放电速度，反馈电阻R不宜过大，但也不能过小，过小会使保持阶段A2的负载加重，故R选择应合理。,保持状态，开关S1导通可避免A1处于开环状态，S2、S3断开。 开关S2、S3的栅、漏电压和栅、源电压基本相同，即两开关管的工作电压基本相等。若两管参数匹配，它们的漏电流也基本相等，即ID3=ID2，也就是保持电容CH上的漏电流和补偿电容C1上的漏电流基本相等，从而引起两电容上的电压变

15、化相同，使输出电压保持不变，达到提高保持精度的目的。,2020/7/22,47,5.3 集成采样保持器,一、采样/保持器的分类: 1.通用型 AD582，AD583，AD585 模拟器件公司 LF198，LF298，LF398 国家半导体器件公司 2.高分辨率型 SHAll44，SHA6，AD389 模拟器件公司,2020/7/22,48,集成采样保持器,3.高速型 ADSHM5，HIC0500 模拟器件公司 HTS0025，THC1500 模拟器件公司,4.超高速型 HTC0300（压摆率250 Vs）模拟器件公司 THS0010（压摆率 300 Vs）,2020/7/22,49,二、集成采

16、样保持器实例分析,（National Semiconductor）公司生产的通用型采样保持器LF398（与LF198，LF298电路完全一样，某些电气参数略有区别） 。,2020/7/22,50,LF398集成采样保持器原理电路,二、集成采样保持器实例分析,2020/7/22,51,LF398集成采样保持器,LF398采用双极型结型场效应管工艺，将整个电路集成在一块芯片上。 具有高的直流精度、较高的采样速度、低的保持电压变化率，高的输入阻抗（10 10）、较宽的带宽特性等优点。 LF398是一种反馈型采样保持器，A1、A2是高输入阻抗运放; 模拟开关S由两个二极管D来代替; 保持电容CH需外接

17、，其容量大小与所要求的精度和捕捉时间有关。如要求捕捉时间小于12S，CH可取0.01F。 控制信号加在8、7端之间，一般7端接地，8、7两端构成驱动放大器A。,2020/7/22,52,LF398集成采样保持器,直流调零：方法是用一个1k电位器，一端接正电源，中心抽头接芯片的偏置调节端2，另一端通过一电阻接地，该电阻的大小应使1k电位器上通过的电流大约为0.6 mA左右，调节电刷位置从而实现输入电压Vi=0V时，输出直流电压Vo=0V。,交流调零:是用一个输入、输出端之间加一个电位器反相器来实现的，一个 10pF的电容接在保持电容CH和电位器之间，调节电刷位置，可实现交流输出电压为0V。 LF

18、398采样保持器供电电压为15 V18V。,2020/7/22,53,LF398集成采样保持器,主要特性： 供电电源：15V 18V； 可以和TTL、PMOS、CMOS逻辑输入兼容； 典型保持电容：1000pF、0.01F。,2020/7/22,54,AD582集成采样保持器,AD582是 Analog Devices公司生产的一种反馈型采样保持器 其保持电容CH外接在运放A2的反相输入端和输出端之间，A2相当于积分器，利用“密勒效应”，可把CH等效到运放A2的输入端，等效电容为 =（1Ao2）CH。可知在相同的采样速率下，将同一输入信号寄存在保持电容上，AD582的外接电容比LF398小得多

19、，从而提高了采样的快速性。,2020/7/22,55,AD582集成采样保持器,2020/7/22,56,AD582集成采样保持器,AD582的工作速度较高。当 CH= 100pF时，精度为 0.01%，捕捉时间tAC 6S。AD582采用双极型MOS工艺，工艺简单，成本低。控制信号Vc在12、11脚之间，11脚常接地，当Vc=0时，电路处于采样状态。当Vc=1时，电路处于保持状态。,2020/7/22,57,5.4 采样保持器的应用,采样保持器的典型应用是多通道数据采集系统，一个有代表性的系统如图所示。,2020/7/22,58,多通道数据采集系统,2020/7/22,59,多通道数据采集系统,通道地址,S/H指令,S,H,转换启动,EOC,保持建立时间,T,2020/7/22,60,多通道数据采集系统,逻辑控制电路受 A/D转换器输出状态 EOC的控制，一方面使地址计数器步进