采样保持电路

采样—保持电路

采样一保持（S/H）电路具有采集某一瞬间的模拟输入信号，并根据需要保持并输出所采集的电压数值的功能。S/H电路广泛应用于多路快速数据检测系统。

一、采样—保持电路基本工作原理及性能

1、S/H电路基本工作原理

S/H电路的原理电路、电路符号及波形如图所示。

S/H电路的原理电路、电路符号及波形

电路中，SW为模拟电子开关，其状态由逻辑控制信号vc控制。CH为保持电容，其两端电压即为S/H电路输出电压vo。

当控制信号vc为高电平“1”时，模拟电子开关SW闭合S/H电路进入采样状态，输入信号vs(t)迅速对CH充电，vo(t)精确地跟踪输入信号；当vc为低电平“0”时，SW断开CH立即停止充电S/H电路进入保持状态，vo(t)保持SW断开瞬间的输入信号电压值不变。理想采样一保持特性如图（c）所示，其数学表达式为

式中，to为逻辑控制信号vc从“1”变为“0”的时间。

实际的采样一保持电路，常需设置缓冲级把模拟开关SW，保持电容CH与信号源及负载隔离开，以提高采样一保持电路的性能。

2、S/H电路性能指标

S/H电路的主要性能指标有采样时间、断开时间；采样精度、保持精度等。

（1）采样时间和断开时间

S/H电路由保持状态变为采样状态，或由采样状态变为保持状态并不是瞬间完

成，需要一定的时间。

从发出采样指令开始到输出信号达到所规定的误差范围内的数值为止，所需的

时间称为采样时间（又称捕捉时间），一般为0.1～10μs数量级。

从发出保持指令开始到模拟开关断开，输出稳定下来为止，所需的时间称为断

开时间（又称孔径时间），一般为10～150 ns数量级。

采样时间长，电路的跟踪特性差；断开时间长，电路的保持特性不好。两者都

限制了S/H电路工作频率的提高，即限制了电路工作速度。

（2）采样精度和保持精度

实际的S/H电路，采样期间，输出信号难于准确稳定地跟踪输入信号，两信号

间存在一定的偏差，称为采样偏移误差。保持期间，输出信号也不可能绝对维

持不变，总是有所下降，即实际保持值与理想保持值之间存在一定的误差。

采样精度和保持精度分别说明采样期和保持期实际特性与理想特性接近的程

度。精度越高，误差越小，说明实际特性就越接近理想特性。

一般来说，对快速变化信号，应采用高速S/H电路，其采样精度和保持精度相

应会比较高，而对于慢速变化信号，当要求保持期较长时，采用高速S/H电路，

则其保持精度不一定高。

二、反相型S/H电路

1、简单反相型S/H电路

图所示为简单的反相型S/H电路。它由场效应管T构成的模拟电子开关、保持

电容CH及反相工作的运放A组成。

简单的反相型S/H电路

当控制信号V C＞0时，隔离二极管D1截止，N沟道结型场效应管T1导通，输入信号V5通过运放A及Rf，R1对CH充电，电路处于采样状态。

当Vc＜0时，D导通，T的栅极加上比夹断电压VP（＜0＝的数值更大的负电压而截止，CH 停止充电，电路处于保持状态。

S/H电路处于采样状态时，若略去场效应管导通内阻Ron，电路实质上是一个一阶RC有源低通滤波器，其低频传输系数为一Rf/R1，高频端截止频率fH＝1 /2πRfCH。为使vo能跟踪vS的变化，应取Rf＝R1，而且介应尽可能提高，否则会延长采样时间。但由于场效应管T 导通电阻Ron约几百欧姆，而且受工作电流及温度的影响，因而将影响采样精度及延长采样时间。S/H电路处于保持状态时，由于场效应管截止时存在泄漏电流，将影响保持精度。这种简单的反相型S/H电路仅适用于对精度和速度要求较低

2、改进的反相型S/H电路

改进的反相型S/H电路

上图所示为改进的反相型S/H电路。它与前面所示简单电路相比，仅增加了双

极型PNP管T2、二极管D2及R4。

当VC＞0时，采样期，T2截止，不影响采样工作状态。当vc＜0时，保持期，T2饱和导通使场效应管T1源极电压箝位于T2的饱和压降Vces，电压很低，

T1的泄漏电流大大减小，从而减小对保持精度的影响。

反相型S/H电路输入电阻低，其值等于R1，而且精度较低。

三、同相型S/H电路

1、简单同相型S/H电路

图5.3.1所示为简单的同相型S/H电路。它由场效应管T构成的模拟电子开关、保持电容CH和运放A构成的电压跟随器等组成。

简单的同相型S/H电路

当VC＞0时，T导通，S/H电路处于采样状态；当VC＜0时，T截止，S/H电路处于保持状态。

这种电路，场效应管参数对电路精度的影响与反相型相同，电路精度较低，而输入电阻比反相型S/H电路大。

2、改进的同相型S/H电路

图所示为改进的同相型S/H电路。

改进的同相型S/H电路

由图可知，当VC＞0时，P沟道结型场效应管T2截止，N沟道结型场效应管T1和T3导通，其导通电阻分别为Ron1和Ron2，电路处于采样状态。运放A1、A2和R3构成负反馈电路，其中A1为误差放大器，当输出电压vo≠0时，通过反馈校正作用，使vO= Vs。环内Ron1和Ron2及A1、A2的失调和漂移对精度的影响均大大地削弱。因而提高了S/H电路的采样精度。

当VC＜0时，T1和T3截止，T2导通，电路处于保持状态。T2导通使A1继续处于负反馈闭环状态，避免A1处于开环应用而进入深度饱和状态，以缩短S/H电路从保持状态到采样状态的过渡时间。由于T1和T3为对称管，两管的泄漏电流值相等，且反馈补偿电容Cs＝CH，因而开关管泄漏电流、A2的基极偏置电流将在Cs、CH上产生数值相同的电压变化量，而且两电容电压的变化对输出电压vO的影响刚好相反，互相抵消，大大地提高了S/H电路的保持精度。