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. U_ВЫХ = U_ВХ (рис. 3.23, 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 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 U_ВЫХ отличается от U_ВХ 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 (U_СМ), определяемое практически смещением нуля ОУ₁;

2) дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости С_ХР:

ΔU_ВЫХ / Δt = I_Р / С_ХР,

где I_Р – 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 С_ХР. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

К динамическим характеристикам УВХ относятся:

· время выборки (t_В), 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 С_ХР. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала вы
борки чреват значительными ошибками;

· апертурная задержка (t_а) 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.