采樣保持電路名詞解釋，采樣保持器作用是什么？

作者：時(shí)間：2024-09-12 來(lái)源：李工談元器件

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今天給大家分享的是采樣保持電路。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202409/462914.htm

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(hào)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(hào)的采樣部分。

采樣保持電路僅適用于對(duì)幾微秒的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。

采樣保持電路由開(kāi)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?hào)并根據(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(hào)中的某些變化，這些變化可能會(huì)破壞轉(zhuǎn)換過(guò)程。

最簡(jiǎn)單的采樣保持電路原理圖如下圖所示。

最簡(jiǎn)單的采樣保持電路

Vs：輸出信號(hào)
C：電
S：作為開(kāi)關(guān)工作的 MOS 晶體管
Va：輸入信號(hào)

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(hào)是連續(xù)變化的模擬信號(hào)。提供命令輸入來(lái)觸發(fā)輸入信號(hào)的采樣和保持。命令輸入只不過(guò)是一個(gè)開(kāi)/關(guān)信號(hào)，用于開(kāi)始/停止輸入信號(hào)的采樣，一般是PWM。采樣和保持過(guò)程取決于命令輸入。

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

時(shí)鐘脈沖激活開(kāi)關(guān) (S)。根據(jù)時(shí)鐘脈沖，輸入信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)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(hào)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(kāi)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(guò)其組件的工作原理來(lái)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)元件，使用了 N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET。輸入電壓通過(guò)其漏極端子給出，控制電壓也通過(guò)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(kāi)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(kāi)的開(kāi)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(kāi)關(guān)工作時(shí)，通過(guò)漏極端子提供給它的模擬信號(hào)將被饋送到電容器，然后電容將充電至其峰值。當(dāng)釋放開(kāi)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(wú)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(duì)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(kāi)關(guān)。

在電路中，JFET 在采樣時(shí)間內(nèi)打開(kāi)，在此期間保持電容中的電荷達(dá)到最大值，不能超過(guò)輸入信號(hào)。當(dāng)采樣周期結(jié)束時(shí)，JFET 關(guān)斷，保持電容與輸入信號(hào)斷開(kāi)。通過(guò)斷開(kāi)電容，確保輸出與輸入電壓保持一致，并且不隨輸入信號(hào)的變化而變化?？赡苁潜３蛛娙輧啥说碾妷壕哂械蛪翰畈⑶沂褂眠@兩個(gè)緩沖器來(lái)補(bǔ)償?shù)那闆r，一個(gè)在輸出端，另一個(gè)在輸入端。

1、開(kāi)環(huán)采樣保持電路

開(kāi)環(huán)式采樣保持電路

由于這是一個(gè)開(kāi)環(huán)電路，加上電路中沒(méi)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(guò)反饋產(chǎn)生更高的精度。對(duì)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(guò)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(shì)。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(hào)，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(lái)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(hào)為低電流時(shí)使用，因?yàn)殡妷焊S器可以為下一級(jí)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(kāi)關(guān)工作，此時(shí)電容開(kāi)始充電至其峰值并存儲(chǔ)輸入信號(hào)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(kāi)路開(kāi)關(guān)工作，電容將經(jīng)歷高阻抗，因此它無(wú)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的時(shí)間稱為采樣周期。