【導(dǎo)讀】作為電子系統(tǒng)的基本功能之一，是可將模擬信號(hào)從“現(xiàn)實(shí)”世界轉(zhuǎn)換為在上游處理的數(shù)字信號(hào)，范圍覆蓋從錄音到物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)，以及現(xiàn)在的智能物聯(lián)網(wǎng) (AIoT)。然而，為了有效地使用和執(zhí)行，我們需要對(duì)其基本原理和操作步驟有一定的理解，而這往往又被人們忽視。
作為電子系統(tǒng)的基本功能之一，是可將模擬信號(hào)從“現(xiàn)實(shí)”世界轉(zhuǎn)換為在上游處理的數(shù)字信號(hào)，范圍覆蓋從錄音到物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)，以及現(xiàn)在的智能物聯(lián)網(wǎng) (AIoT)。然而，為了有效地使用和執(zhí)行，我們需要對(duì)其基本原理和操作步驟有一定的理解，而這往往又被人們忽視。
舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)施加到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸入上的典型模擬信號(hào)的幅度不斷變化，那么在轉(zhuǎn)換前信號(hào)究竟是如何先“保持”再“采樣”的呢？信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)與一開始會(huì)有不同嗎？這種幅度變化或偏差會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差，特別對(duì)于需要花費(fèi)更多時(shí)間進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的高分辨率 ADC 來(lái)說(shuō)，更是如此。設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是，既要了解又要消除這種誤差源。
本文介紹了如何使用 ADC 的采樣和保持 (S&H) 或跟蹤和保持 (T&H) 電路來(lái)防止幅度偏差。S&H（或 T&H）電路會(huì)執(zhí)行真實(shí)輸入采樣，工作區(qū)間位于輸入抗混疊低通濾波器和 ADC 之間。本文討論了 S&H IC 的特性和選擇標(biāo)準(zhǔn)，并介紹了帶有集成 S&H 的 ADC。為了方便描述，我們使用了 Texas Instruments、Maxim Integrated 和 Analog Devices 提供的、具有針對(duì)不同應(yīng)用的不同特性的樣件。
采樣和保持電路在 ADC 中的作用
當(dāng)將非直流信號(hào)施加到 ADC 的輸入時(shí)，它會(huì)不斷改變幅度。但是，模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一定的時(shí)間間隔，在這段時(shí)間內(nèi)，ADC 輸入的幅度將發(fā)生變化（圖 1）。正是這種幅度偏差導(dǎo)致了潛在的嚴(yán)重誤差。
圖 1：由于數(shù)字化期間（下方）輸入信號(hào)幅度的變化，因此造成了 ADC 發(fā)生幅度誤差（上方）。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
此時(shí)防止 ADC 中的幅度偏差就變成了轉(zhuǎn)換過(guò)程中如何對(duì)信號(hào)采樣并保持固定幅度的問(wèn)題。這可通過(guò)對(duì) ADC 使用 S&H 或 T&H 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖 2）。
圖 2：S&H（左）電路與 T&H（右）電路的主要區(qū)別在于跟蹤周期的持續(xù)時(shí)間：即 S&H 較短，而 T&H 較長(zhǎng)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
兩種類型的電路都對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持采樣電壓恒定。T&H 電路輸出（右）跟蹤輸入信號(hào)，直到發(fā)出采樣信號(hào)；然后在 ADC 轉(zhuǎn)換期間保存該采樣值。S&H 的采樣孔徑更短，其輸出是一系列采樣電平（左）。T&H 和 S&H 之間的主要區(qū)別在于跟蹤間隔的持續(xù)時(shí)間：即 S&H 較短，而 T&H 較長(zhǎng)。這兩個(gè)電路均依靠快速開關(guān)來(lái)隔離已連接至信號(hào)輸入端的儲(chǔ)能電容器。本文余下內(nèi)容中將使用 S&H 同時(shí)指代 S&H 或 T&H。
S&H 級(jí)會(huì)執(zhí)行真實(shí)輸入采樣，工作區(qū)間位于輸入抗混疊低通濾波器和 ADC 之間。低通濾波器執(zhí)行抗混疊頻帶限制，且必須先于 S&H，這樣便可在采樣前對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻帶限制，以防止發(fā)生混疊（圖 3）。
圖 3：在數(shù)字化儀信號(hào)路徑中，S&H 置于抗混疊低通濾波器和 ADC 之間。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
請(qǐng)注意，S&H 之前的信號(hào)都是模擬信號(hào)。S&H 的輸出是一個(gè)饋送至 ADC 的采樣波形。
典型的 S&H 器件
Texas Instruments LF398MX/NOPB S&H 集成電路 (IC) 框圖顯示了基本電路配置（圖 4）。S&H 是使用快速開關(guān)和高質(zhì)量電容器實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于 LF398MX/NOPB，電容器在 IC 外部。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電容器就會(huì)充電至輸入信號(hào)電壓電平。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電容器保持該電壓，直到由 ADC 將其數(shù)字化為止。這個(gè) S&H 使用了 bi-FET 技術(shù)，將 FET 與雙極型晶體管組合在一起，以高直流精度（典型值 0.002%）和極低電壓降（通常小于每秒 83 微伏 (µV)）來(lái)支持快速采樣（小于 6 微秒 (µs)，幅度誤差為 0.01%）。內(nèi)部放大器緩沖了開關(guān)和保持電容器。
S&H 的采樣時(shí)間取決于保持電容器的值，該值可能范圍為 0.001 至 0.1 微法拉 (µF)。外部保持電容器必須具有低介電吸收和低泄漏能力。建議使用聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯電容器。
圖 4：Texas Instruments LF398MX/NOPB S&H 框圖顯示了關(guān)鍵組件：快速開關(guān)和外部保持電容器。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
S&H 特征
S&H 器件具有許多用于描述其操作的特定術(shù)語(yǔ)（圖 5）。
圖 5：常見 S&H 動(dòng)態(tài)特征的定義包括采樣時(shí)間、建立時(shí)間、孔徑時(shí)間和幅度下降。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
采樣時(shí)間是指從切換到采樣模式到 S&H 開始跟蹤輸入信號(hào)的時(shí)間。它是保持電容器的值以及開關(guān)與信號(hào)路徑的串聯(lián)電阻的函數(shù)。當(dāng)模式恢復(fù)到保持狀態(tài)時(shí)，在器件停止跟蹤輸入并開始保持值前，可能會(huì)有一段時(shí)間延遲——這就是孔徑時(shí)間。孔徑時(shí)間是驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)傳播延遲的函數(shù)。孔徑不確定性或抖動(dòng)是由于時(shí)鐘變化和噪聲導(dǎo)致的孔徑時(shí)間差異。
一旦進(jìn)入保持模式后，進(jìn)入該模式到器件的保持值穩(wěn)定在一個(gè)誤差帶內(nèi)，之間會(huì)有一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是所謂的建立時(shí)間或保持建立時(shí)間。在建立時(shí)間的某些部分，在開關(guān)驅(qū)動(dòng)器和保持電容器之間可能會(huì)包括不必要的電荷轉(zhuǎn)移；這就所謂的保持跳變或基座誤差。保持跳變的幅度通常在毫伏 (mV) 范圍內(nèi)，并且通過(guò)將全范圍信號(hào)保持盡可能高，可以將其影響最小化。
S&H 的最短采樣周期是采樣時(shí)間、孔徑時(shí)間和建立時(shí)間之和。可能的最大采樣率是采樣時(shí)間、孔徑時(shí)間和建立時(shí)間之和的倒數(shù)。
在保持模式下，由于保持電容的泄漏，S&H 保持值可能會(huì)降低。此電壓增量稱為壓降。通常表示為以 mV/ 秒為單位的下降率。
S&H 配置
S&H IC 具有多種配置，可滿足各種應(yīng)用需求。以一個(gè)需要差分輸入的應(yīng)用為例，比如需要連接像加速計(jì)、應(yīng)變計(jì)或光學(xué)電流監(jiān)控器這樣的差分輸出傳感器。Maxim Integrated DS1843D+TRL 就是適合這種應(yīng)用的 S&H IC 好實(shí)例（圖 6）。
圖 6：如該典型工作電路所示，Maxim Integrated DS1843+TRL 是一個(gè)差分 S&H，使用了雙保持電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)差分采樣。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）
所示 DS1843+TRL 用于一個(gè)典型的光學(xué)線路傳輸應(yīng)用，在該應(yīng)用中用于猝發(fā)模式接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo) (RSSI) 測(cè)量。Maxim Integrated DS1842/MAX4007 是一款電流監(jiān)視器，可鏡像來(lái)自連接其參考輸入的雪崩光電二極管的電流。輸出電流直接通過(guò)電阻 RIN，并將其轉(zhuǎn)換為電壓。然后電壓由包括全差分采樣開關(guān)和電容器 CS 以及差分輸出緩沖器的 DS1843 進(jìn)行差分測(cè)量。這個(gè) S&H 使用兩個(gè) 5 皮法拉 (pF) 電容器，一個(gè)電容器連接到正差分輸入，另一個(gè)連接到負(fù)差分輸入。低電容值可確保快速采樣時(shí)間。該器件的快速采樣時(shí)間少于 300 納秒 (ns)。該 S&H 的保持時(shí)間大于 100 µs。
市面上提供的器件在單個(gè) IC 封裝中可容納四個(gè)或八個(gè) S&H 電路。例如，Analog Devices 的 SMP04ESZ-REEL 四通道 S&H。SMP04ESZ-REEL 是一個(gè) CMOS 器件，在一個(gè)通用封裝中包含了四個(gè) S&H 電路，其采樣時(shí)間為 7 µs，下降率僅為 2 mV/s（圖 7）。
圖 7 還展示了 S&H 如何與數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 一起使用，在這種情況下，可以防止由于 DAC 中的代碼轉(zhuǎn)換而引起的輸出瞬變或毛刺。
圖 7：Analog Devices SMP04 四通道 S&H 包含四個(gè)獨(dú)立的 S&H 電路以及匹配的緩沖放大器。所示電路使用了 SMP04，用于將 DAC 的輸出多路復(fù)用到四個(gè)通道。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在圖中，SMP04 用于復(fù)用 DAC 的輸出，將單個(gè) DAC 輸出分成四個(gè)多路復(fù)用通道。S&H 電路可用于選擇性地將 DAC 的輸出延遲到毛刺之后，從而使 DAC 的輸出變得平滑。
通過(guò)對(duì)復(fù)用輸入進(jìn)行流水線處理，可以使用多個(gè) S&H 電路來(lái)提高 ADC 的吞吐量。此處，有多個(gè) S&H 共同連接到多路復(fù)用器輸出。ADC 連接到一個(gè) S&H，后者保持用于轉(zhuǎn)換的輸入電平。其他 S&H 會(huì)獲取其他多路復(fù)用器通道，然后依次連接到 ADC，而第一個(gè) S&H 可自由連接到另外的多路復(fù)用通道。這種流水線處理技術(shù)消除了 ADC 信號(hào)路徑中的 S&H 采樣時(shí)間。
許多 ADC 在其集成封裝中都集成了 S&H 或 T&H 電路。舉例來(lái)說(shuō)，Texas Instruments 的 ADC121S021CIMFX 就是一個(gè)具有內(nèi)置 T&H 的 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，采樣率為每秒 50 至 200 千樣本 (kS/s)。它采用高速串行輸出總線，簡(jiǎn)化了接線布局（圖 8）。
圖 8：Texas Instruments ADC121S021 是一個(gè)具有內(nèi)置 T&H 電路的 12 位單通道 SAR ADC。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
這個(gè) ADC 是許多集成 ADC 電路的典型代表，因?yàn)樗哂袃?nèi)部 T&H，從而簡(jiǎn)化了印刷電路板的布局，且有助于最大程度地減少組件數(shù)。外部 T&H 電路用于特殊配置，例如用于差分輸入連接、多路復(fù)用輸入，或用在 ADC 不具有內(nèi)部 T&H 或 S&H 電路時(shí)。
總結(jié)
從音頻記錄到最先進(jìn)的 IIoT 或 AI 分析，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)是最基本的電子功能，需要特別注意 S&H 或 T&H 電路。為了將模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電壓偏差降至最低，這些電路至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)谵D(zhuǎn)換過(guò)程中可以讓 ADC 的輸入電壓保持恒定。S&H 可以設(shè)在 ADC 內(nèi)部或外部，但必須位于抗混疊低通濾波器和 ADC 之間的信號(hào)路徑中。如前文所述，有許多配置可以滿足各種設(shè)計(jì)應(yīng)用需要，每個(gè) IC 還有單通道、差分或多通道選擇。應(yīng)用還可擴(kuò)展到包括防止因 DAC 中代碼轉(zhuǎn)換引起輸出瞬變或毛刺。
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