Устройства выборки – хранения (стр. 1 из 2)
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра РЭС
Реферат на тему:
«Устройства выборки – хранения. Устройства на переключаемых конденсаторах. Линейные стабилизаторы напряжения»
Устройства выборки - хранения
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. Uвых = Uвх (рис. 1б). При размыкании ключа Uвых сохраняет свое значение, последнее перед размыканием. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения Схр 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 Uвх 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 Uсм, определяемое практически смещением нуля ОУ1.
2. Дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости Схр
Uвых / t= Iр / Схр,
где Iр - 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 Схр. 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 Схр. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала выборки чреват значительными ошибками.
2. Апертурная задержка tа. 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 10-6К-1 | Коэффициент влияния напряжения 10-6В-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.
Передаточная функция этой схемы имеет вид
 | , (1) |
а частотная характеристика
 | , (2) |
Рис. 3. Схемы интеграторов: а) - на RC-цепи, б) - с коммутируемым конденсатором
На рис. 3 б показан интегратор, в котором резистор R1 имитируется с помощью схемы с переключаемым конденсатором. Этот интегратор работает следующим образом. Коммутатор периодически переключается из положения 1 в положение 2 и обратно с периодом Т. В момент nT конденсатор С1 заряжается до напряжения uвх(nT), поэтому накопленный на нем заряд составляет С1uвх(nT). После переключения коммутатора из положения 1 в положение 2 в момент nТ+Т/2 конденсатор С1 разряжается на вход ОУ с конденсатором С2 в обратной связи. Поскольку входное дифференциальное напряжение и входные токи идеального ОУ равны нулю, конденсатор С1 разрядится полностью и его заряд суммируется с зарядом, накопленным на конденсаторе С2. В результате в момент (n+1)Т справедливо следующее уравнение зарядов:
С2uвых[(n+1)T] = С2uвых(nT) - С1uвх(nT). (3)
Здесь знак "-" обусловлен отрицательной обратной связью. Применив к обеим частям уравнения (3) z-преобразование, получим уравнение
zС2Uвых(z) = С2Uвых(z) - С1Uвх(z). (4)
Определенная из этого уравнения передаточная функция имеет вид
 | , (5) |
Представляет интерес сравнение свойств интеграторов, показанных на рис. 3. Перейдем к частотным харктеристикам, подставив в (5) z=exp(jT). Получим
 | , (6) |
При T стремящемся к 0 выражение в скобках в знаменателе правой части уравнения (6) неограниченно приближается к jT. Таким образом, для частот входного сигнала, низких относительно частоты переключения коммутатора f=1/T, можно приближенно записать