Одним из важнейших приложений высококачественных аналоговых коммутаторов являются устройства выборки-хранения (УВХ). Это обусловлено тем, что при сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Некоторые типы АЦП, например последовательного приближения, могут давать совершенно непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене входного кода цифроаналоговых 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 (слежения-хранения), выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки (слежения) повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления следующего сигнала выборки, т. е., по сути, они являются аналоговыми запоминающими устройствами. Схема простейшего УВХ приведена наРис. 7.30а. Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, т. е.VOUT= VIN(Рис. 7.30б). При размыкании ключаVOUTсохраняет значение, соответствующее моменту размыкания. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения CL на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе. По такой простой схеме построены многоканальные УВХ SMP04/08 фирмы Analog Devices.
Простейшая схема УВХ имеет ряд недостатков [7.2]: При замкнутом ключе источник входного сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Если источником является ОУ, это обычно приводит к его самовозбуждению.
Большое сопротивление источника сигнала увеличивает постоянную времени заряда конденсатора хранения, и тем самым — время выборки.
ОУ с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве буферных повторителей, обычно имеют значительное смещение нуля.
Первые два недостатка устраняются применением наряду с выходным буферным усилителем еще и входного буферного усилителя, причем этот усилитель должен устойчиво работать на емкостную нагрузку. Можно использовать две архитектуры УВХ с двумя буферными усилителями: разомкнутую и замкнутую, различающиеся способами охвата их обратными связями. В разомкнутой схеме(Рис. 7.31) входной и выходной буферные усилители включены как повторители напряжения.
Преимущество этой схемы — быстродействие. Время выборки и время установления малы, поскольку нет общей обратной связи между буферными усилителями. Недостаток — худшая точность, поскольку ошибки по постоянному току (в частности, смещения нулей усилителей) складываются. По разомкнутой схеме построены сверхскоростные УВХ AD9100/1.В моделях УВХ с более высокой статической точностью можно использовать замкнутую схему с повторителем(Рис. 7.32) или интегратором(Рис. 7.33).
Общая обратная связь значительно повышает статическую точность УВХ, хотя несколько снижает быстродействие.
Типичным представителем замкнутых схем УВХ с повторителем является ИМС LF398 — разработка инженеров фирмы National Semiconductor (отечественный аналог — 1100СК2), которая в течение долгих лет была, по существу, промышленным стандартом и выпускалась многими фирмами. Функциональная схема этой ИМС приведена наРис. 7.34. Здесь схема имеет общую отрицательную обратную связь, охватывающую всю схему — с выхода усилителя У2 на вход усилителя У1.
Когда коммутатор находится в замкнутом состоянии, потенциал выхода операционного усилителя У1 вследствие действия общей отрицательной обратной связи устанавливается таким, что VOUT отличается от V1N на величину напряжения смещения усилителя У1.При этом смещение, возникающее из-за
наличия коммутатора и усилителя У2, сводится к нулю. ДиодыVD1,VD2 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 диодыVD1,VD2 предотвращают насыщение усилителя У1, которое могло бы возникнуть из-за размыкания цепи общей отрицательной обратной связи в этом режиме. Это снижает время переходного процесса при повторном замыкании коммутатора. Усилитель У1 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. РезисторR2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.
И в разомкнутой, и в замкнутой схеме с повторителем при переходе УВХ в режим хранения за счет инжекции заряда переключения из цепи управления ключом образуется ступенька выходного напряжения, называемая порогом переключения управления (Sample/hold), причем высота этой ступеньки зависит от входного напряжения УВХ, поскольку заряд переключения зависит от входного напряжения ключа (см. Рис. 7.24). Эта зависимость oобусловлена тем, что в упомянутых схемах ключ связан с входным сигналом через входной буферный усилитель. В схеме с интегратором один из выводов ключа соединен с виртуальной землей, имеющей постоянно нулевой потенциал. В режиме выборки оба коммутируемых вывода ключа имеют практически нулевой потенциал. Поэтому порог переключения не зависит от входного сигнала.
Примером УВХ с интегратором может служить микросхема SHC5320 фирмы Burr-Brown (ныне входящей в состав Texas Instruments). Схема включения ее в режиме неинвертирующего повторителя приведена наРис. 7.35.
Микросхема SHC5320 содержит внутренний конденсатор хранения емкостью 100 пФ, выполненный по МОП-технологии.
Если требуется меньший дрейф фиксируемого напряжения, то параллельно основному может быть включен дополнительный конденсатор хранения Сн между выводами 7 и 11. В этом случае полоса пропускания УВХ сузится, а для дальнейшего уменьшения шума в выходном сигнале между выводом 8 и общей точкой схемы целесообразно включить конденсатор емкостью 0.1 Сн.
