Схема выборки-хранения: принцип работы и применение.

Введение

Тип устройства для дискретизации напряжения – тип электронной схемы.

В электронике схема выборки-хранения (также известная как схема выборки-слежения) – это аналоговое устройство, которое дискретизирует (захватывает, принимает) напряжение непрерывно изменяющегося аналогового сигнала и удерживает (фиксирует, замораживает) его значение на постоянном уровне в течение заданного минимального времени. Схемы выборки-хранения и связанные с ними пиковые детекторы являются элементарными аналоговыми устройствами памяти. Они обычно используются в аналого-цифровых преобразователях для устранения колебаний входного сигнала, которые могут исказить процесс преобразования. Они также используются в электронной музыке, например, для придания случайного характера последовательно воспроизводимым нотам. Типичная схема выборки-хранения накапливает электрический заряд в конденсаторе и содержит как минимум одно переключающее устройство, такое как полевой транзистор (FET) и, как правило, один операционный усилитель. Для дискретизации входного сигнала переключатель соединяет конденсатор с выходом буферного усилителя. Буферный усилитель заряжает или разряжает конденсатор таким образом, чтобы напряжение на конденсаторе было практически равно или пропорционально входному напряжению. В режиме удержания переключатель отсоединяет конденсатор от буфера. Конденсатор неизбежно разряжается из-за собственных токов утечки и токов нагрузки, что делает схему по своей природе нестабильной, но потеря напряжения (падение напряжения) в течение заданного времени удержания остается в пределах допустимой погрешности для большинства применений, кроме самых требовательных.

Цель

Пробные и удерживающие схемы используются в линейных системах. В некоторых типах аналого-цифровых преобразователей (АЦП) входное значение сравнивается с напряжением, генерируемым внутренним цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Схема перебирает ряд значений и останавливает преобразование, как только напряжения становятся равны, в пределах допустимой погрешности. Если бы входное значение могло изменяться в процессе сравнения, результирующее преобразование было бы неточным и, возможно, не соответствовало бы истинному входному значению. Такие последовательные приближения часто включают внутренние схемы выборки и хранения. Кроме того, схемы выборки и хранения часто используются, когда необходимо одновременно измерить несколько значений. Каждое значение отбирается и удерживается с использованием общего тактового сигнала выборки. Для подавляющего большинства коммерческих жидкокристаллических активных матричных дисплеев, основанных на электрооптических ячейках TN, IPS или VA (за исключением бистабильных явлений), каждый пиксель представляет собой небольшой конденсатор, который необходимо периодически заряжать до уровня, соответствующего желаемому значению серого (контрастности) для элемента изображения. Для поддержания этого уровня во время цикла сканирования (периода кадра) к каждому LC-пикселю параллельно подключается дополнительный электрический конденсатор для лучшей стабилизации напряжения. Тонкопленочный полевой транзистор (FET) используется для выбора конкретного LC-пикселя и зарядки информации об изображении для него. В отличие от схемы выборки и хранения в общей электронике, здесь отсутствует выходной операционный усилитель и электрический сигнал AO. Вместо этого заряд на удерживающих конденсаторах контролирует деформацию молекул жидкого кристалла и, следовательно, оптический эффект, который является выходным сигналом. Изобретение этой концепции и ее реализация в тонкопленочной технологии были отмечены медалью IEEE Jun ichi Nishizawa. Во время цикла сканирования изображение не следует за входным сигналом. Это не позволяет глазу адаптироваться и может приводить к размытию при отображении динамических сцен, а также переход между кадрами становится заметным, поскольку подсветка постоянно включена, что усиливает эффект размытия в движении. Схемы выборки и хранения также часто встречаются в синтезаторах, либо в виде отдельных модулей, либо как неотъемлемые компоненты. Они используются для периодического отбора проб входящего сигнала, обычно в качестве источника модуляции для других компонентов синтезатора. При подключении схемы выборки и хранения к генератору белого шума получается последовательность случайных значений, которые, в зависимости от амплитуды модуляции, могут использоваться для создания тонких изменений в сигнале или резко меняющихся случайных тонов.

Sample and hold circuits are used in linear systems. In some kinds of analog to digital converters (ADCs), the input is compared to a voltage generated internally from a digital to analog converter (DAC). The circuit tries a series of values and stops converting once the voltages are equal, within some defined error margin. If the input value was permitted to change during this comparison process, the resulting conversion would be inaccurate and possibly unrelated to the true input value. Such successive approximation converters will often incorporate internal sample and hold circuitry. In addition, sample and hold circuits are often used when multiple samples need to be measured at the same time. Each value is sampled and held, using a common sample clock. For practically all commercial liquid crystal active matrix displays based on TN, IPS or VA electro optic LC cells (excluding bi stable phenomena), each pixel represents a small capacitor, which has to be periodically charged to a level corresponding to the greyscale value (contrast) desired for a picture element. In order to maintain the level during a scanning cycle (frame period), an additional electric capacitor is attached in parallel to each LC pixel to better hold the voltage. A thin film FET switch is addressed to select a particular LC pixel and charge the picture information for it. In contrast to an S/H in general electronics, there is no output operational amplifier and no electrical signal AO. Instead, the charge on the hold capacitors controls the deformation of the LC molecules and thereby the optical effect as its output. The invention of this concept and its implementation in thin film technology have been honored with the IEEE Jun ichi Nishizawa Medal. During a scanning cycle, the picture doesn't follow the input signal. This does not allow the eye to refresh and can lead to blurring during motion sequences, also the transition is visible between frames because the backlight is constantly illuminated, adding to display motion blur. Sample and hold circuits are also frequently found on synthesizers, either as a discrete module or as an integral component. They are used to take periodic samples of an incoming signal, typically as a source of modulation for other components of the synthesizer. When a sample and hold circuit is plugged into a white noise generator the result is a sequence of random values, which depending on the amplitude of modulation can be used to provide subtle variations in a signal or wildly varying random tones.

Реализация

Для обеспечения максимально стабильного входного напряжения необходимо, чтобы конденсатор обладал очень низким током утечки и не испытывал существенной нагрузки, что требует очень высокого входного импеданса.