3.10. Устройства выборки и хранения

При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Аналогово-цифровые преобразователи некоторых типов, например, последовательного приближения, могут давать совершенно непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются выбросы выходного напряжения. Для устранения этого явления на время установления также следует зафиксировать выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Устройства выборки – хранения (УВХ) (слежения – хранения), 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 сигнала выборки.

В схеме простейшего УВХ (рис. 3.23, а), когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, т.е. UВЫХ = UВХ (рис. 3.23, б). При размыкании ключа UВЫХ сохраняет свое значение, последнее перед размыканием. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения СХР 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 обычно приводит к его самовозбуждению;

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

Эти недостатки во многом устранены в ИМС устройства выборки – хранения LF398 (отечественный аналог – 1100СК2), которая в течение многих лет была по существу промышленным стандартом (рис. 3.24). Эта схема имеет общую отрицательную обратную связь, охватывающую всю схему – с выхода усилителя ОУ2 на вход усилителя ОУ1.

Когда коммутатор находится в замкнутом состоянии, потенциал выхода операционного усилителя ОУ1 вследствие действия общей отрицательной обратной связи устанавливается таким, что UВЫХ отличается от UВХ на значение 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 мВ).

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 легко позволяет получить смещение нуля схемы в пределах 5 мВ. Резистор R2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.

Основные характеристики УВХ подразделяются на точностные и тинамические.

К точностным характеристикам УВХ относятся:

1) напряжение смещения нуля (UСМ), определяемое практически смещением нуля ОУ1;

2) дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости СХР:

ΔUВЫХ / Δt = IР / СХР,

где IР – ток разряда конденсатора. Он складывается из токов утечки конденсатора и коммутатора, а также из входного тока усилителя ОУ2.

При заданном токе утечки величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости конденсатора СХР. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

К динамическим характеристикам УВХ относятся:

· время выборки (tВ), которое определяет, как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения до величины входного напряжения с заданным уровнем допуска. Это время пропорционально емкости СХР. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала вы
борки чреват значительными ошибками;

· апертурная задержка (tа) Это период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием последовательного коммутатора.

В табл. 3.2 приведены основные характеристики некоторых типов УВХ, выпускаемых промышленностью.

Таблица 3.2 Основные характеристики УВХ некоторых типов

Тип УВХ

Uсм, мВ

Дрейф, В/с

Время

выборки, мкс

Апертурная

задержка, нс

Uпит, В

Iпотр, мА

Примечания

1100СК2

5

0,21

0,41,2

100

±15

4,5

Промышленный стандарт

SHC5320

1,5

0,51

1,51,3

25

±15

-

АD9101

10

180004

7 нс

0,25

+5; -5,2

70

Сверхбыстродействующее УВХ

АD781

3

0,014

0,63

35

±12

4

АD684

4

14

13

35

±12

25

Счетверенное

Примечания: 1 – СХР = 1000 пФ; 2 – до точности 0,1 %;  3 – до точности 0,01 %; 4 – встроенный конденсатор хранения.