采样／保持电路

5．4　采样／保持电路

采样／保持电路（S／H）又称采样／保持器，是数据采集系统的基本部件之一。它处在模／数（A／D）转换器的前端，其输出即为A／D转换器的输入。因A／D转换器对模拟量进行量化的过程需要一定的时间，因此须在采样开关断开后的这段时间内，A／D转换器的输入端仍应保持断开前瞬时的采样值不变，这一目标需靠采样／保持器来实现。

1）采样／保持器的基本类型

（1）开环串联型采样／保持器

图5．43（a）为开环串联型采样／保持器的工作原理图。图中运放A1、A2为输入、输出缓冲放大器，采样开关K受控制信号V_c控制。采样时，K导通，输入信号V_i通过A1对保持电容C_H充电。由于开关导通电阻R_on和A1的输出阻抗很小，充电速度很快，C_H两端电压乃至输出电压V_o紧跟输入电压的变化，从而实现采样功能。K断开时，由于输出缓冲器A2的输入阻抗很大，使电容C_H两端的电压保持在开关断开瞬时的输入电压值。

这种类型的采样／保持器其输出电压V_o的失调误差是两块运放失调误差的代数和，因共模抑制比有限，共模误差也会反映在输出端，因此，电路的精度不够高。通常应选用输入阻抗高、失调参数小、共模抑制比高的运放作为缓冲放大器。被采样的信号变化速率较高时，还应选用高速运放。

图5．43　采样／保持器电路

（2）闭环串联型采样／保持器

图5．43（b）是闭环串联型采样／保持器电路原理图。它与图5．43（a）的区别是增加了一条反馈通道，把C_H包含在反馈环内。由于反馈环的存在使该电路在采样阶段，运放A2引起的输出端失调误差被降低为原来的1／A₁（A₁为运放A1的开环放大倍数），因而具有比开环电路更高的精度。

在保持阶段，K断开，输入级运放A1变成开环工作状态（比较器状态）。在此状态，不管多小的输入端信号均将造成A1的饱和（正饱和或负饱和）。这样，当保持阶段结束、进行第二次采样时，运放A1需退出饱和才能跟随输入信号的变化，因而造成延时误差，使采样／保持器动态性能变坏。为防止A1到达饱和状态（正或负），特在A1的输出端与反相输入端之间接入两只二极管。

保持电容C_H的选择与保持电压变化率、馈送、采样频率等有关，一般选取0．01～0．1μF。另外，应尽量采用介质吸收效应小的如聚苯乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯为材料的高质量电容。

2）集成采样／保持器

目前大多把采样／保持器所用的元件集成在一块芯片上，构成集成采样／保持器。大多数的集成采样保持器需外接保持电容C_H。集成采样／保持器芯片型号很多，大致可分为通用型、高速型和高分辨率型三类。

图5．44给出了两种通用型采样／保持器的应用电路。

图5．44　通用型芯片应用电路

图5．44（a）为LF398H型芯片内部结构及其应用电路，芯片内A1、A2、K的作用如上所述，A3作比较器用，将接在8脚上的采样控制信号与参考电压（7脚，一般接地）比较形成采样开关K的控制电平。300Ω电阻用于保护模拟开关，因为在开关接通瞬间C_H有充电冲击电流。失调电压调整电路在追求更高精度时采用。

图5．44（b）所示电路与5．44（a）不同的是片内设有保持电容C_H。该片保持电压下降速率较低，为0．1μV／μs，用做14位分辨率的A／D转换电路的输入采样保持具有足够的精度。