Устройство выборки-хранения

При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Некоторые типы аналогово-цифровых преобразователей (ЦАП), например, последовательного приближения, могут давать большие ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене входного кода ЦАП из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются выбросы выходного напряжения. Для устранения этого явления на время установления также следует зафиксировать (запомнить) выходной сигнал ЦАП. Следовательно, устройство выборки-хранения (УВХ) должно на интервале времени выборки повторять на выходе входной сигнал, а при переключении режима на хранение сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки. Схема простейшего УВХ приведена на рис. 3.17.

Рисунок 3.17 – Устройство выборки-хранения

Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, т.е. U_вых = U_вх (рис. 3.17 б). При размыкании ключа U_вых сохраняет свое значение, последнее перед размыканием. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения С_хр на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Простейшая схема УВХ имеет ряд недостатков:

· при замкнутом ключе источник входного сигнала имеет значительную емкостную нагрузку (если источником является ОУ, это может привести к его самовозбуждению).

· ОУ с полевыми транзисторами на входе, применяемыми в качестве буферных повторителей, имеют значительное смещение нуля.

Эти недостатки во многом устранены в МС устройства выборки-хранения LF398 (отечественный аналог – 1100СК2), которая в течение многих лет является промышленным стандартом. Функциональная схема этой МС приведена на рис. 3.18. Общая отрицательная обратная связь, охватывает всю схему – с выхода усилителя ОУ₂ на вход усилителя ОУ₁.

Рисунок 3.18 – Функциональная схема УВХ 1100СК2

Когда коммутатор находится в замкнутом состоянии, потенциал выхода ОУ₁ вследствие действия общей отрицательной обратной связи устанавливается таким, что U_вых отличается от U_вх на величину напряжения смещения ОУ₁. При этом смещение, возникающее из-за наличия коммутатора и ОУ₂, сводится к нулю. Диоды в этом состоянии схемы заперты, так как падение напряжения на них, равное указанному смещению, достаточно мало (≤ 20 mV). При размыкании коммутатора управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R₁ и диоды предотвращают насыщение ОУ₁, которое могло бы возникнуть из-за размыкания общей отрицательной обратной связи в этом режиме. Это снижает время переходного процесса при замыкании коммутатора. Усилитель ОУ₁ обеспечивает высокое входное сопротивление УВХ. Он выполнен по схеме с биполярными транзисторами на входе, что позволяет получить смещение нуля схемы в пределах 5 mV. Резистор R₂ ограничивает ток заряда конденсатора хранения.

При С_хр = 1000 pF время выборки составляет 0,4 μs, апертурная задержка – 100 ns, дрейф – 0,2 V/s, напряжение смещения – 5 mV.