(模拟基础知识)采样和保持电路如何工作并确保 ADC 精度.docx
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1、采样和保持电路如何工作并确保ADC精度(模拟基础知识)将模拟信号从“现实”世界转换为可以在上游处理的数字信号是电子系统的 一项基本功能,范围覆盖从录音到物联网(IoT)、工业物联网(IIoT),以及现在 的智能物联网(AIoT)o但是,为了有效地使用和执行,需要我们对其基本原理 和操作步骤有一定程度的理解,而这往往又被人们忽视。举例来说,假设施加到模数转换器(ADC)输入上的典型模拟信号的幅度不 断变化,那么在转换前信号究竟是如何先“保持”再“采样”的呢?信号转换结 束时与一开始会有不同吗?这种幅度变化或偏差会导致严重的误差,特别对于需 要花费更多时间进行信号转换的高分辨率ADC来说,更是如此
2、。设计人员面 临的挑战是,既要了解又要消除这种误差源。本文介绍了如何使用ADC的采样和保持(S&H)或跟踪和保持(T&H) 电路来防止幅度偏差。S&H (或T&H)电路会执行真实输入采样,工作区间位 于输入抗混叠低通滤波器和ADC之间。本文讨论了 S&H IC的特性和选择标 准,并介绍了带有集成S&H的ADCo为了方便描述,我们使用了 Texas Instruments Maxim Integrated 和 Analog Devices 提供的、具有针对不同应用的 不同特性的样件。一采样和保持电路在ADC中的作用当将非直流信号施加到ADC的输入时,它会不断改变幅度。但是,模数 转换过程需要一定
3、的时间间隔,在这段时间内,ADC输入的幅度将发生变化(图 Do正是这种幅度偏差导致了潜在的严重误差。图1:由于数字化期间(下方)输入信号幅度的变化,因此造成了 ADC发 生幅度误差(上方)。此时防止ADC中的幅度偏差就变成了转换过程中如何对信号采样并保持 固定幅度的问题。这可通过对ADC使用S&H或T&H电路来实现(图2)oSample and HoldTrack and HoldTrack anti HoW Output图2: S&H (左)电路与T&H (右)电路的主要区别在于跟踪周期的持续 时间:即S&H较短,而T&H较长。两种类型的电路都对输入信号进行采样,并在转换过程中保持采样电压恒
4、 定。T&H电路输出(右)跟踪输入信号,直到发出采样信号;然后在ADC转 换期间保存该采样值。S&H的采样孔径更短,其输出是一系列采样电平(左)。 T&H和S&H之间的主要区别在于跟踪间隔的持续时间:即S&H较短,而 T&H较长。这两个电路均依靠快速开关来隔离已连接至信号输入端的储能电容 器。本文余下内容中将使用S&H同时指代S&H或T&HoS&H级会执行真实输入采样,工作区间位于输入抗混叠低通滤波器和 ADC之间。低通滤波器执行抗混叠频带限制,且必须先于S&H,这样便可在 采样前对信号进行频带限制,以防止发生混叠(图3)。图3:在数字化仪信号路径中,S&H置于抗混叠低通滤波器和ADC之间。请
5、注意,S&H之前的信号都是模拟信号。S&H的输出是一个馈送至ADC 的采样波形。典型的S&H器件Texas Instruments LF398MXNOPB S&H 集成电路(IC)框图显示了 基本电 路配置(图4)o S&H是使用快速开关和高质量电容器实现的。对于 LF398MX/NOPB,电容器在IC外部。当开关闭合时,电容器就会充电至输入 信号电压电平。当开关断开时,电容器保持该电压,直到由ADC将其数字化 为止。这个S&H使用了 bi-FET技术,将FET与双极型晶体管组合在一起, 以高直流精度(典型值0.002%)和极低电压降(通常小于每秒83微伏(V)来支持快速采样(小于6微秒(s)
6、,幅度误差为0.01%)o内部放大器缓冲了 开关和保持电容器。S&H的采样时间取决于保持电容器的值,该值可能范围为0.001至0.1微 法拉(F)o外部保持电容器必须具有低介电吸收和低泄漏能力。建议使用聚苯 乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯电容器。图 4: Texas Instruments LF398MXNOPB S&H 框图显示了关键组件:快速 开关和外部保持电容器。S&H特征S&H器件具有许多用于描述其操作的特定术语(图5)。图5:常见S&H动态特征的定义包括采样时间、建立时间、孔径时间和幅 度下降。采样时间是指从切换到采样模式到S&H开始跟踪输入信号的时间。它是保 持电容器的值以及开关与信号路
7、径的串联电阻的函数。当模式恢复到保持状态 时,在器件停止跟踪输入并开始保持值前,可能会有一段时间延迟一一这就是孔 径时间。孔径时间是驱动器和开关传播延迟的函数。孔径不确定性或抖动是由于 时钟变化和噪声导致的孔径时间差异。一旦进入保持模式后,进入该模式到器件的保持值稳定在一个误差带内,之 间会有一段时间,这个时间就是所谓的建立时间或保持建立时间。在建立时间的 某些部分,在开关驱动器和保持电容器之间可能会包括不必要的电荷转移;这就 所谓的保持跳变或基座误差。保持跳变的幅度通常在毫伏(mV)范围内,并且 通过将全范围信号保持尽可能高,可以将其影响最小化。S&H的最短采样周期是采样时间、孔径时间和建立
8、时间之和。可能的最大 采样率是采样时间、孔径时间和建立时间之和的倒数。在保持模式下,由于保持电容的泄漏,S&H保持值可能会降低。此电压增 量称为压降。通常表示为以mV/秒为单位的下降率。S&H配置S&HIC具有多种配置,可满足各种应用需求。以一个需要差分输入的应用 为例,比如需要连接像加速计、应变计或光学电流监控器这样的差分输出传感器。 Maxim Integrated DS1843D+TRL就是适合这种应用的S&H IC 好实例(图6)。图6:如该典型工作电路所示,Maxim Integrated DS1843+TRL是一个差分 S&H,使用了双保持电容器来实现差分采样。所示DS1843+T
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