采樣" style="color: blue; text-decoration: underline" title="采樣">采樣與保持放大器" style="color: blue; text-decoration: underline" title="保持放大器">保持放大器對模擬電壓執(zhí)行采樣與保持，直到ADC數(shù)字化。完善的采樣電路一直保持某個(gè)電壓，直到完成數(shù)字化。因此，放大器的輸出與它的輸入相同。但真實(shí)情況中，采樣與保持放大器可能會(huì)使電壓升高或降低，由此產(chǎn)生誤差。放大器中的偏移電壓會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)加法誤差。而且會(huì)發(fā)生一種特定的加法誤差，即所謂的電壓基底(voltage pedestal)，它的起源是在從采樣狀態(tài)向保持狀態(tài)的過渡中，這一過渡是由于寄生電荷向保持電容器轉(zhuǎn)移引起的。
采樣與保持放大器用模擬開關(guān)把信號連接到保持電容器。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電阻很低，因此電容器充電，達(dá)到被采樣的輸入電壓。在保持期間，當(dāng)開關(guān)電阻很高時(shí)，采樣電容器一直保持電壓，直到ADC把它數(shù)字化。在從低開關(guān)電阻向高開關(guān)電阻過渡期間，寄生電荷的注入（主要是從開關(guān)的柵極向保持電容器注入）不斷給電容器充電，直到開關(guān)的控制電壓達(dá)到穩(wěn)定的邏輯電平。注入的電荷在電容器產(chǎn)生誤差電壓。在保持期間也許會(huì)出現(xiàn)一些額外誤差。放大器中的泄漏電流及偏置電流與開關(guān)和電容器中的數(shù)十皮安泄漏電流結(jié)合在一起，導(dǎo)致電容器在保持期間充電或放電。
如果應(yīng)用占空比為D和1–D的邏輯控制信號，你就能測量平均輸出壓差[?VOUT ]=[ VOUT – VIN ]，如以下方程所示：
其中?VOUT和?V/OUT分別是D和1–D的輸出壓差，VSTAT是選定的基準(zhǔn)輸入電壓值的穩(wěn)定輸出壓差，D是占空比，VINJ是電壓基底，VDROPPEAK是壓降峰值。圖1表明方程中的電壓如何隨時(shí)間變化。如果你應(yīng)用占空比為25%的互補(bǔ)控制波形，你就能測量采樣與保持放大器輸出電壓的另一個(gè)DC分量。最后，當(dāng)采樣開關(guān)持續(xù)接通時(shí)，你可以測量VSTAT電壓，它是真正的DC電壓。VOUT和V/OUT包含一個(gè)波形，它疊加在選定的基準(zhǔn)電壓值上。因此，你應(yīng)該用某個(gè)阻值（比方說10 kΩ）的串聯(lián)電阻器測量這些電壓的均值。
圖1，采樣與保持放大器的保持電容器由于泄漏電流、偏置電流以及電壓階躍而出現(xiàn)壓降，導(dǎo)致放大器的輸出與輸入壓差。
把電壓基底（一個(gè)簡單的矩形波形）乘以占空比，就得到均值。相比之下，壓降波形看起來是一個(gè)鋸齒。它的均值增加到占空比平方的一半。壓降峰值表示樣本/HOLD邏輯控制波形的整個(gè)周期T結(jié)束時(shí)的假設(shè)壓降。
你可用前述方程來求電壓基底值和壓降峰值。75%占空比是一個(gè)很方便的值。下列方程對該占空比有效：
你必須找出邏輯控制信號的最優(yōu)重復(fù)率fREP。在最優(yōu)重復(fù)率上升時(shí)，來自輸入端的輸出壓差幾乎純粹是由DC電壓偏移加上電壓基底導(dǎo)致的：(V/OUT–VSTAT)/(VOUT–VSTAT)≈3。以下方程可求出最優(yōu)重復(fù)率的最大值：fREP≤(0.01/4)×1/(tON–tOFF)，其中tON和OFF分別是接通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。該方程確保采樣與保持放大器的內(nèi)部模擬開關(guān)的接通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間值之差，對精確的25%和75%占空比準(zhǔn)確度的影響不會(huì)超過1%。
如果你為某種高性能模擬開關(guān)（比如Analog Devices公司的ADG1213）求解該方程，你獲得的重復(fù)率不會(huì)超過33 kHz。壓降導(dǎo)致的差值在較低的重復(fù)率時(shí)占優(yōu)。在此情況下，重復(fù)率可以是V/OUT–VSTAT≤1/10×VINMAX時(shí)的頻率值，其中VINMAX是最大輸入電壓范圍。確定重復(fù)率下限的最佳方法是做實(shí)驗(yàn)。
某個(gè)受測的采樣與保持放大器使用圖2中的電路，使用的電源電壓為–1V，漏極至漏極電壓為5V，并且脈沖發(fā)生器中的邏輯電路的電源電壓為3.3V。在ADG1213的內(nèi)部開關(guān)的25%、75%和100%占空比數(shù)值處的兩組測量值控制著使用的0V和2.5V輸入電壓。你將在1.762 kHz重復(fù)率位置測量輸出壓差（約為–0.0366 mV）和基底電壓（約為–0.0333 mV）。進(jìn)入保持電容器（CH=2 nF）的殘留有效電荷注入值QINJ等于CH×VINJ。該值為負(fù)，并且不超過–75 fC。以下方程定義了2.5V輸入電壓范圍內(nèi)的電荷注入差值：ΔQIINJ=QINJ(2.5V)–QINJ(0V)，并得出–6.7 fC值。以下方程在重復(fù)率為160 Hz時(shí)，根據(jù)獲得的壓降峰值確定了殘留有效泄漏電流：ILEAK=CH×VDROPPEAK×fREP，其中ILEAK是泄漏電流。0V輸入電壓時(shí)的泄漏電流約為17 pA，2.5V輸入電壓時(shí)的泄漏電流約為–17 pA。
圖2，使用數(shù)字伏特計(jì)來測量采樣與保持放大器的輸出與輸入壓差。
參考文獻(xiàn)
“Low Capacitance, Low Charge Injection, ±15 V/+12 V iCMOSTM Quad SPST Switches,” Analog Devices Inc, 2005.