給大家分享的是采樣保持電路。

主要是關(guān)于：采樣保持名詞解釋、采樣保持電路工作原理、采樣保持電路功能、采樣保持電路作用以及采樣保持電路設(shè)計(jì)。

一、采樣保持名詞解釋

采樣保持電路從模擬輸入信號中提取樣本并將它們保持特定時(shí)間段，然后輸出輸入信號的采樣部分。

采樣保持電路僅適用于對幾微秒的輸入信號進(jìn)行采樣。

采樣保持電路由開關(guān)器件、電容和運(yùn)算放大器組成。電容是采樣和保持電路的核心，因?yàn)樗潜３植蓸虞斎胄盘柌⒏鶕?jù)命令輸入將其提供到輸出端的電路。

采樣電路主要用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以消除輸入信號中的某些變化，這些變化可能會(huì)破壞轉(zhuǎn)換過程。

最簡單的采樣保持電路原理圖如下圖所示。

最簡單的采樣保持電路

Vs：輸出信號

C：電

S：作為開關(guān)工作的 MOS 晶體管

Va：輸入信號

二、采樣保持電路

典型的采樣保持電路框圖如下：

采樣保持電路框圖

一般施加的輸入電壓信號是連續(xù)變化的模擬信號。提供命令輸入來觸發(fā)輸入信號的采樣和保持。命令輸入只不過是一個(gè)開/關(guān)信號，用于開始/停止輸入信號的采樣，一般是PWM。采樣和保持過程取決于命令輸入。

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，信號被采樣，當(dāng)它打開時(shí)，電路保持輸出信號。開關(guān)的開/關(guān)狀態(tài)由指令輸入控制。

時(shí)鐘脈沖激活開關(guān) (S)。根據(jù)時(shí)鐘脈沖，輸入信號被采樣或保持為最近采樣的值。當(dāng)時(shí)鐘脈沖為高電平時(shí)對輸入信號進(jìn)行采樣，并在時(shí)鐘脈沖為低電平時(shí)保留這些值。該電路可以在兩種模式下工作，這取決于采樣和保持時(shí)鐘信號的邏輯電平。時(shí)鐘切換的輸入脈沖和電路的輸出如下圖所示。

開關(guān)時(shí)鐘脈沖和電路輸出

三、采樣保持電路功能及工作原理

采樣保持電路的工作原理可以通過其組件的工作原理來簡單理解。構(gòu)建采樣保持電路的主要部件包括一個(gè) N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET、一個(gè)電容和一個(gè)高精度運(yùn)算放大器。

作為開關(guān)元件，使用了 N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET。輸入電壓通過其漏極端子給出，控制電壓也通過其柵極端子給出。

當(dāng)施加控制電壓的+ve 脈沖時(shí)，MOSFET將處于激活狀態(tài)。它充當(dāng)閉合開關(guān)。相反，當(dāng)控制電壓為零時(shí)，MOSFET 將處于停用狀態(tài)并作為打開的開關(guān)工作。

使用運(yùn)算放大器的采樣和保持電路：

使用運(yùn)算放大器的采樣和保持電路

當(dāng) MOSFET 作為閉合開關(guān)工作時(shí)，通過漏極端子提供給它的模擬信號將被饋送到電容器，然后電容將充電至其峰值。當(dāng)釋放開關(guān)時(shí)，電容停止充電。由于電路末端連接了高阻抗運(yùn)算放大器，電容將因此而產(chǎn)生高阻抗，因此無法放電。

指向電容將電荷保持準(zhǔn)確的時(shí)間量，這可以稱為持有期。而產(chǎn)生i/p電壓樣本的時(shí)間稱為采樣周期。運(yùn)算放大器在整個(gè)保持期間處理的 o/p。因此，持有期對運(yùn)算放大器有影響。

四、采樣保持電路類型

采樣保持電路有多種設(shè)計(jì)，下面將討論一些采樣保持電路，下面這些討論的電路都使用了 JFET 作為開關(guān)。

在電路中，JFET 在采樣時(shí)間內(nèi)打開，在此期間保持電容中的電荷達(dá)到最大值，不能超過輸入信號。當(dāng)采樣周期結(jié)束時(shí)，JFET 關(guān)斷，保持電容與輸入信號斷開。通過斷開電容，確保輸出與輸入電壓保持一致，并且不隨輸入信號的變化而變化。可能是保持電容兩端的電壓具有低壓差并且使用這兩個(gè)緩沖器來補(bǔ)償?shù)那闆r，一個(gè)在輸出端，另一個(gè)在輸入端。

1、開環(huán)采樣保持電路

開環(huán)式采樣保持電路

由于這是一個(gè)開環(huán)電路，加上電路中沒有反饋(閉環(huán)配置)，因此它比閉環(huán)電路更快。另一方面，閉環(huán)設(shè)計(jì)通過反饋產(chǎn)生更高的精度。對于采樣和保持電路，采集時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素，必須盡可能短。

2、閉環(huán)式采樣

下面的反饋回路電路是上一個(gè)的改進(jìn)變體，因?yàn)?JFET 的導(dǎo)通電阻包含在反饋回路中，所以其他兩個(gè)參數(shù)決定了采集時(shí)間。

閉環(huán)采樣保持電路

3、閉環(huán)采樣和保持電壓增益電路

通過提供電壓增益，以下電路表現(xiàn)就很好。要計(jì)算電路的電壓增益，可以使用反饋電阻 (Rf) 和輸入電阻 (R1)(電壓增益的公式如下所示)。A = 1 + (Rf / R1)

閉環(huán)采樣和保持電壓增益電路

4、具有同相端子的閉環(huán)采樣和保持電壓增益電路

最后一個(gè)電路比上一個(gè)電路提供了一些優(yōu)勢。最重要的變化是保持電容的位置，這導(dǎo)致 的同相端電壓相等，電容兩端的電壓除以放大器的增益。因此，保持電容充電更快，從而導(dǎo)致采集時(shí)間變得更快。

具有同相端子的閉環(huán)采樣和保持電壓增益電路

五、采樣保持電路設(shè)計(jì)

1、采樣保持電路設(shè)計(jì)所需組件

UA741運(yùn)算放大器 IC

2N4339 N 溝道 JFET

模擬輸入和脈沖輸入發(fā)生器

電阻(10k、10M)

二極管 (1N4007)

電容(0.1uf - 1nos)

采樣保持電路

為了在輸入端提供模擬信號，你可以使用 6-0-6 降壓變壓器。而且，為了向晶體管提供脈沖或 PWM 輸入，你可以在非穩(wěn)態(tài)模式下使用 555 定時(shí)器 IC。我們還需要一個(gè)直流電源來為運(yùn)算放大器 IC 提供 Vcc，其范圍為 +5 至 +15V。

2、采樣保持電路設(shè)計(jì)的工作原理

你在電路上面圖中可以看到的，我們使用了 2N4339 N 溝道 JFET、一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)電容。命令輸入(PWM 輸入)連接到 2N4339 晶體管的柵極端子。

將命令輸入的初始電壓設(shè)置為 -15V，脈沖電壓設(shè)置為 15V。因此，只要命令輸入電壓為負(fù)，二極管就會(huì)正向偏置，從而導(dǎo)致晶體管導(dǎo)通，反之亦然。

運(yùn)算放大器741在這里用作電壓跟隨器，因?yàn)殡妷焊S器通常具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。這在輸入信號為低電流時(shí)使用，因?yàn)殡妷焊S器可以為下一級提供足夠的電流。

因此，每當(dāng)命令輸入為高電平時(shí)，晶體管就作為閉合開關(guān)工作，此時(shí)電容開始充電至其峰值并存儲(chǔ)輸入信號的樣本，以便晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

現(xiàn)在，當(dāng)命令輸入為低電平時(shí)，晶體管作為開路開關(guān)工作，電容將經(jīng)歷高阻抗，因此它無法放電并在特定時(shí)間段內(nèi)保持電荷。這個(gè)時(shí)間被稱為持有期。并且，電路對輸入信號進(jìn)行采樣的時(shí)間稱為采樣周期。

六、采樣保持電路性能參數(shù)

1、輸入輸出波形

采樣保持電路輸入輸出波形

從上圖中可以清楚地看出，采樣保持電路在命令輸入為高電平時(shí)對輸入信號進(jìn)行采樣，并在輸出端復(fù)制相同的采樣。當(dāng)命令輸入為低電平時(shí)，它保持采樣信號的最后一個(gè)電壓電平。

如果我們 模擬我們的采樣保持電路，我們將得到下面波形。

采樣保持電路輸入輸出波形

2、采集時(shí)間

在采樣期間，采集時(shí)間是保持電容中的電荷達(dá)到接近輸入電壓的水平所需的時(shí)間。采集時(shí)間受三個(gè)因素影響：

RC 時(shí)間常數(shù)，其中 C 代表保持電容，R 代表導(dǎo)通電阻，用于計(jì)算時(shí)間長度的常數(shù)。

運(yùn)算放大器壓擺率， 是晶體管中的晶體管中的晶體管中的晶體管中的晶體管的速率。

運(yùn)算最大放大器的輸出電流。

采集時(shí)間

3、光圈時(shí)間

光圈時(shí)間是保持命令開始和 VO 監(jiān)控 Vi 之間的延遲?？?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)電路的傳播延遲是這種延遲的最常見來源，保持命令必須提前一個(gè)孔徑時(shí)間啟動(dòng)，以獲得最佳時(shí)序。

4、孔徑不確定度

孔徑時(shí)間并不一致，并且因樣本而異，這種類型的不確定性被稱為孔徑不確定性。這將對保持指揮部的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

5、保持模式穩(wěn)定時(shí)間

應(yīng)用保持命令后，輸出 (VO ) 在特定誤差帶百分比(0.01%、0.1% 或 1%)內(nèi)的穩(wěn)定時(shí)間稱為保持模式穩(wěn)定時(shí)間。

6、保持步長

在從采樣模式切換到保持模式時(shí)，寄生電容可能會(huì)導(dǎo)致保持電容和開關(guān)之間發(fā)生意外的電荷轉(zhuǎn)移。這對電容電壓和輸出電壓都有影響。保持步長是輸出電壓和所需值之間的差值。

7、饋通

在保持模式下，開關(guān)的寄生電容可能會(huì)在 Vi和 Vo之間產(chǎn)生交流耦合。出現(xiàn)饋通現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化。

　　審核編輯：湯梓紅