微弱信号采样保持电路的分析

这时的 Q5 , Q7 , Q10 均处于饱和导通状态 。 于是
V b5 = 20V - I3 b × R8 ≈ 16. 7mV V e7 = V b5 + 2 V be ≈ 18V
因此 ,对电容 C4 的充电电流为 ,
I =
20V - V e7 ≈ 20mA ( R21 + Yces) R18 + R17Π Π
中图分类号 :TN702 文献标识码 :A 文章编号 :1009 - 2552 (2009) 06 - 0163 - 03
微弱信号采样保持电路的分析
郭大江 , 罗运先 , 吴雄英
( 成都理工大学信息工程学院 , 成都 610059)
摘 要 : 采样速度和保持精度 , 是采样保持电路设计制作者最为关注的两项指标 。通过对数字 地震仪模拟单元采样保持电路的理论分析 , 阐明了影响这两项指标的主要因素 , 并就如何提高 采样速度和保持精度提出了作者的看法 。 关键词 : 采样速度 ; 保持电容 ; 保持精度 ; 充电
— 163
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
—
图1 采样保持电路原理框图
图 3 开关放大级处于线性放大状态时对保持电容充电的情形
t
n
社 ,1979.
[4 ] 尤桃如 . SN338 数字地震仪的操作 、 调试与维修 [M] . 北京 : 地址
= 1 - e
-
出版社 ,1986.
[5 ] SN238HR PORTABLE DIGITAL SEISMIC DATA ACQUISITION SYS2 TEM , OPERATION AND MAINTENANCE MANUAL. [6 ] 李清泉 ,黄昌宁 . 集成运算放大器原理与应用 [ M] . 北京 : 科学
dt RC
线性度 : < 0. 01 % μ ) 保持损耗 : < 100 VΠ ms ( 25 ℃ μs ( 从 + 10V → - 10V 或 - 10V → 采样时间 : < 6 + 10V)
两边积分得 ,
∫Vc
L nVc
d Vc
t
2
==-
∫RC
t
1
t
2
dt
t
μ 零点漂移 : < 20 VΠ℃ 最后指出 ,上述讨论中 ,曾把 C4 上所充电压视 为等于输入子样电压即整个电路的输出电压 , 是近 似的 ,实则差一个固定值 。但对讨论结果没有影响 。 参 考 文 献:
—
将此结果代入上式得 ,
Vi - Vc = e KC
K
- t
( Vi - Vc′ )
整理 ,
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
http://www.cnki.net
)e Vc = Vi ( Vi - Vc′
图 4 保持过程等效电路
等效电阻 R 。 电路设计制作除了应尽可能地提高输 出匹配级的输入电阻 , 选用高质量的电容器用作
C4 ,注意克服印刷电路工艺引起的寄生漏电流外 , Q7 , Q8 这两只管子很关键 ,应经过严格的挑选 ,使两
根据回路电压定律 ,
V R + Vc = 0
保持过程中保持电容 C 上的电荷将由 R 泄放 ,回路 的放大电流为 ,
[1 ] 谢红 ,等 . 模拟电子技术基础 [ M] . 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出
4
RC
2 1
t
1
t
代入积分限 ,
t2 - t1 L nVc ( t 2 ) - L nVc ( t 1 ) = RC Vc ( t 2 ) = Vc ( t 1 ) e
t - t 2 1 RC
版社 ,2001.
0 引言
数字地震仪中的采样保持电路 , 位于模拟单元 的瞬时浮点放大器和模数转换器之间 。其作用在于 将瞬时浮点放大器放大后的子样电压展宽 , 以满足 模数转换器在转换时间上的需求 。 采样保持电路由三部分组成 , 即 : 差分输入级 、 开关放大级 、 输出匹配级 。图 1 为其简要框图 。本 文所涉及的内容主要与开关放大级有关 , 图 2 给出 了开关放大级的具体电路 。
如果以这种充电速率将 C4 从 - 10V 充至 + 10V , 则需 , Δt = 20V ≈ 3μ s d vΠ dt
收稿日期 : 2008 - 11 - 20 作者简介 : 郭大江 (1952 - ) , 硕士研究生 , 副教授 , 多年从事电子信 息技术的教学与科研 。曾获省部级科技成果奖四项 , 军 事科技成果奖两项 。
d Vc ic = C dt
Biblioteka Baidu
管截止时的漏电流接近相等 , 并保证环境温度发生 变化时也能如此 。 该电路若元器件选配合 ,调试得当 ,其采样速度 和保持精度可达如下指标 :
) 增益精度 :1 ± 0. 005 % ( 25 ℃
于是 ,
d Vc RC = Vc = 0 dt d Vc
Vc
t t
2 1
=-
图2 开关放大级电路图
K d ( Vi - Vc) dt = RC Vi - Vc
k α t+ RC
解此方程 ,
Vi - Vc = e
-
然而 ,随着充电的进行 ,电容 C4 上的电压升高 , 相应的 F 端之输出的电压也愈接近 C 端之输入电 压。 于是开关放大级的差分输入电压逐渐减小 , 使
Q1 , Q3 , Q5 , Q7 , Q10 相继进入线性放大状态 , 充电电
初始条件 t = 0 ( 即开关放大级中的差分电路转 入放大状态的瞬间) ,设这时的 Vc = Vc′ ,于是得到
Vi - Vc′= e
α
流减小 。 为了分析这以后的工作情形 ,把采样保持电 路简化成图 3 。 其中 , A 1 表示差分输入级和开关放大 级 , A 2 表示输出匹配级 , C 表示保持电容 C4 。 — 164 —
-
t RCΠK
结果表明 , 当保持时间 t n 确定后 , 提高回路的 放电时间数 τ = RC ,可提高保持精度 。
此式表明 ,使 C 上的电压 Vc 充到输入值 Vi 的条 件是
t → ∞,或充电时间常数 τ = RCΠK →0 。 RCΠK
3 结束语
理论分析及实验结果都表明 : ( 1) 保持电容 C4 的电容量很重要。 电容量小 ,有 利于采样速度的提高 , 但将回大保持电压的下降速 度。 只有当保持过程中等效电阻 R 做得很大时 ,电容 量才可适当选小。 同时 , 应选用介质吸附效应小和泄 漏电阻大的电容器 ,如聚苯乙烯和聚碳酸脂电容等。 ( 2) 为提高采样速度 , 电路设计制作中可适当 加大 Q1 差分电路的放大倍数 K1 。 它一方面提高了 开关放大级的倍数 K ,使充电时间常数 RCΠK 减小 ; 另一方面 ,可使采样保持电路的输出与输入相当接 近时 ,开关放大级才进入线性放大状态 ,以减小这以 后 C4 充电到最终值 Vi 的所需时间 。
( 3) 提高保持精度的关键是加大保持过程中的
2 保持精度
采样保持电路的保持精度主要取决于放大级开 关断开 ( 即 Q7 , Q8 截止) 时的漏电流 ,输出匹配级的 输入编置电流 , C4 的泄漏电阻和印刷电路工艺等引 起的寄生漏电流 。 如果把这些因素造成的影响分别 γ偏 、 γ漏 、 γ 寄来表示 ,就得到采样保 以电阻 γ 断 、 持电路在保持过程中的等效电路 , 如图 4 所示 。 图 γ漏 Π γ寄 Π γ偏 。 中 , R = γ断 Π Π Π Π
式中 , Yces 为 Q10 的饱和内阻 。 此时 ,由于 Q8 , Q11 截止 ,其电流 I8 = 0 。 只要 C 输入与 F 输出的电压不是很接近 ,保证 Q1 a 饱和导 通 , 而 Q1 b 截止 ,那么电路就能对 C4 以 20mA 恒流线 性快速充电 ,其充电速率为 ,
dv I 20 ×10 μ = = s - 12 ≈ 6. 6VΠ dt C4 3010 ×10
[2 ] 傅丰林 ,等 . 电子线路基础 [ M] . 西安 : 西安电子科技大学出版
社 ,2001.
[3 ] 《数字地震仪》 编写组 . 数字地震仪 [ M] . 北京 : 石油工业出版
式中 , t n = t2 - t1 ,为电路的保持时间 。 其保持误差 ε为 , ε=
Vc ( t 1 ) - Vc ( t 2 ) Vc ( t 1 ) tn RC
RC
按幂级数展开 ,并略去高次项 , ε≈
出版社 ,1980. 责任编辑 : 李光辉
— 165
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
-3
1 采样速度
采样保持电路要求能在很短的时间内 , 使保持 电容 C4 迅速充电到子样电压值 。 在最不利情况下 , μs , 所谓最不利情况是指电路对 充电时间约为 5 + 10V 电压采样时 , C4 上却充有 - 10V 电压 ( 或为相 反情形) 。 由图 1 可见 ,采样起始 ,若 C 输入端加有 + 10V , 而 F 输出端为 - 10V , 这样作用于开关放大级两输 入端的电压就很大 。 从图 2 可知 , 由 Q1 构成的差分 放大电路中 , Q1 a 将饱和导通 , Q1 b 截止 。 从而引起 Q3 a 截止 , Q3 b 饱和导通 , 流经 Q3 b 饱和导通 , 流经 Q3 b 的电流 I3 b 为 , V b4 - V be I3 b ≈ I4 = ≈ 1mA R5
Analysis of the small signal in the sample2and2hold circuit
G UO Da2jiang , LUO Yun2xian , WU Xiong2ying
( School of Information Engineering , Chengdu University of Technology , Chengdu 610059 , China )
由此图可见 ,其充电电流为 ,
ic = i - i b i b 为 A 2 的输入偏置电流 ,接近为 0 。 则有 , C
d vc K ( Vi - Vo) = dt R
式中 , K 为开关放大级的放大倍数 ; R 为充电回路的 电阻 ,即开关放大级输出电阻 。 由于 Vo ≈ Vc ,所以 , d Vc K ( Vi - Vc) C = dt R 整理得 ,
Abstract : Sampling rate and holding accuracy are two most concerned targets in designing the sample2and2hold circuit. Through theoretical analysis of the sample2and2hold circuit in the analog unit of the digital seismograph , this paper clarifies the main factors affecting these two indexs , and puts forward some views on how to improve the sampling speed and holding accuracy. Key words : sampling rate ; holding capacitor ; holding accuracy ; charging