При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Некоторые типы аналогово-цифровых преобразователей, 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 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. Схема простейшего УВХ приведена на рис. 1а.

Рис. 1. Устройство выборки - хранения

Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, т.е. U_вых = U_вх (рис. 1б). При размыкании ключа Uвых 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. Функциональная схема этой ИМС приведена на рис. 2. Здесь схема имеет общую отрицательную обратную связь, охватывающую всю схему - с выхода усилителя ОУ₂ на вход усилителя ОУ₁ .

Рис. 2. Функциональная схема УВХ 1100СК2

Когда коммутатор находится в замкнутом состоянии, потенциал выхода операционного усилителя ОУ₁ вследствие действия общей отрицательной обратной связи устанавливается таким, что Uвых 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 (<= 20мВ). 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:

Точностные характеристики

1. Напряжение смещения нуля U_см , определяемое практически смещением нуля ОУ₁ .

2. Дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости С_хр

 U_вых /  t= 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.

Динамические характеристики

1. Время выборки tв 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 выборки чреват значительными ошибками.

2. Апертурная задержка t_а . Это период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием последовательного коммутатора.

В табл. 1 приведены основные характеристики некоторых типов УВХ, выпускаемых промышленностью.

Таблица 1

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

Устройства на переключаемых конденсаторах

В последнее время наблюдается исключительно быстрый рост производства и применения МОП-структур, имеющих много преимуществ перед биполярными схемами. У МОП-структур большой входной импеданс, и они управляются напряжением (в отличие от биполярных схем, управляемых по существу током). Комплементарные МОП-структуры практически не потребляют мощности в статическом режиме. Технология МОП-структур обеспечивает большую плотность упаковки, чем биполярных. Наконец, эта технология позволяет простым способом реализовать в ИМС конденсаторы относительно большой емкости. Такие МОП-конденсаторы в сочетании с МОП-ключами позволяют заменить резисторы в некоторых типах ИМС и построить аналоговые вычислительные схемы со значительно лучшими точностными и эксплуатационными характеристиками. Замена резисторов конденсаторами, в частности, позволяет повысить точность аналоговых и аналого-цифровых устройств и уменьшить количество внешних элементов, подключаемых к микросхеме. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики интегральных резисторов и МОП-конденсаторов.

Таблица 2

Элемент	Технология изготовления	Точность изготовления,%	Температурный коэффициент 10-6 К-1	Коэффициент влияния напряжения 10-6 В-1
Резистор	Ионная имплантация с шириной 40 мкм	+/-0,12	400	800
Конденсатор	МОП с толщиной диэлектрика 0,1 мкм	+/-0,06	26	10

Высокая точность изготовления интегральных МОП-конденсаторов и их стабильность способствовали тому, что в последние годы получили развитие способы обработки сигналов, использующие явление дискретного переноса зарядов. Один из путей реализации этих способов состоит в применении схем с переключаемыми конденсаторами.

Рассмотрим реализацию аналогового интегратора с применением переключаемого конденсатора. На рис. 3а приведена схема обычного аналогового интегратора.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--