Analoge Grundlagen: Wie Sample and Hold-Schaltungen funktionieren und die Genauigkeit des ADC sicherstellen

Die Umwandlung eines analogen Signals aus der "realen" Welt in ein digitales Signal, das vorgelagert verarbeitet werden kann, ist eine grundlegende Funktion elektronischer Systeme. Sie reicht von der Audioaufzeichnung über das Internet der Dinge (IoT), das industrielle IoT (IIoT) bis hin zur künstlichen Intelligenz (AI) der Dinge (AIoT). Um sie effektiv und effizient durchzuführen, ist jedoch ein Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien und Schritte erforderlich, das oft übersehen wird.

Wie genau wird beispielsweise ein Signal vor der Umwandlung "gehalten" und dann "abgetastet", wenn man bedenkt, dass ein typisches Analogsignal, das am Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) anliegt, seine Amplitude kontinuierlich ändert und am Ende der Umwandlung anders sein wird als am Anfang? Diese Amplitudenänderung oder -verschiebung kann zu einem schwerwiegenden Fehler führen, insbesondere bei hochauflösenden ADCs, die mehr Zeit für die Umwandlung eines Signals benötigen. Die Herausforderung für Konstrukteure besteht darin, diese Fehlerquelle sowohl zu verstehen als auch zu beseitigen.

Dieser Artikel zeigt, wie die Verhinderung der Amplitudenverschiebung durch eine Sample-and-Hold (S&H) oder Track-andHold (T&H) Schaltung für den ADC erreicht wird. Der S&H (oder T&H) führt die echte Abtastung des Eingangs aus und arbeitet zwischen dem Eingangs-Anti-Aliasing-Tiefpassfilter und dem ADC. Der Artikel erörtert die Merkmale und Auswahlkriterien für S&H ICs und betrachtet ADCs mit integrierten S&Hs. Zur Veranschaulichung werden Beispielgeräte mit unterschiedlichen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen von Texas Instruments, Maxim Integrated und Analog Devices verwendet.

Die Rolle von Sample-and-Hold in ADCs

Wenn ein Nicht-DC-Signal an den Eingang eines ADCs angelegt wird, ändert sich seine Amplitude kontinuierlich. Der Analog-Digital-Umwandlungsprozess nimmt jedoch ein endliches Zeitintervall in Anspruch, so dass sich in dieser Zeit die Amplitude des ADC-Eingangs ändert (Abbildung 1). Es ist diese Amplitudenverschiebung, die zu einem potenziell schwerwiegenden Fehler führt.

Abbildung 1: Ein ADC mit einem variierenden Eingangssignal unterliegt aufgrund der Signalamplitudenschwankungen während der Digitalisierung Amplitudenfehlern (oben). (Bildquelle: DigiKey)

Bei der Verhinderung der Amplitudenverschiebung in einem ADC geht es darum, das Signal abzutasten und während der Umwandlung eine feste Amplitude beizubehalten. Dies wird durch die S&H- oder T&H-Schaltung für den ADC erreicht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Hauptunterschied zwischen einer S&H (links) und einer T&H (rechts) Schaltung ist die Dauer der Nachführperiode: sie ist kurz in der S&H und lang in der T&H. (Bildquelle: DigiKey)

Beide Schaltungsarten tasten das Eingangssignal ab und halten die abgetastete Spannung für die Dauer des Umwandlungsprozesses konstant. Der T&H-Schaltkreisausgang (rechts) verfolgt das Eingangssignal, bis es zur Abtastung signalisiert wird; dann hält er den Abtastwert während der ADC-Wandlung. Der S&H hat eine kürzere Abtastblende und sein Ausgang ist eine Reihe von abgetasteten Pegeln (links). Der Hauptunterschied zwischen T&H und S&H ist die Dauer des Nachführungsintervalls: sehr kurz für den S&H und deutlich länger für den T&H. Beide Schaltungen sind auf einen schnellen Schalter angewiesen, um einen Speicherkondensator zu isolieren, der an den Signaleingang angeschlossen wurde. Der Rest dieses Artikels wird S&H gleichbedeutend mit S&H oder T&H verwenden.

Die S&H-Stufe führt die echte Abtastung des Eingangs aus und arbeitet zwischen dem Eingangs-Anti-Aliasing-Tiefpassfilter und dem ADC. Das Tiefpassfilter führt eine Anti-Aliasing-Bandbegrenzung durch und muss dem S&H vorgeschaltet werden, um das Signal vor der Abtastung bandbegrenzen zu können, um Aliasing zu verhindern (Abbildung 3).

Abbildung 3: Im Digitizer-Signalweg ist der S&H zwischen dem Antialiasing-Tiefpassfilter und dem ADC angeordnet. (Bildquelle: DigiKey)

Beachten Sie, dass die Signale vor dem S&H alle Analogsignale sind. Der Ausgang des S&H ist eine abgetastete Wellenform, die dem ADC zugeführt wird.

Ein typisches S&H-Gerät

Das Blockdiagramm des integrierten Schaltkreises (IC) von Texas Instruments LF398MX/NOPB S&H zeigt die grundlegende Schaltungskonfiguration (Abbildung 4). Der S&H wird mit einem schnellen Schalter und einem hochwertigen Kondensator realisiert. Im Fall des LF398MX/NOPB befindet sich der Kondensator außerhalb des ICs. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird der Kondensator auf den Spannungspegel des Eingangssignals aufgeladen. Wenn der Schalter offen ist, behält der Kondensator diese Spannung bei, bis sie vom ADC digitalisiert wird. Dieser S&H verwendet die Bi-FET-Technologie, die FETs mit bipolaren Transistoren kombiniert, um eine schnelle Erfassung (weniger als 6 Mikrosekunden (µs) mit 0,01% Amplitudenfehler) mit hoher DC-Genauigkeit (typischerweise 0,002%) und einem extrem niedrigen Spannungsabfall (typischerweise weniger als 83 Mikrovolt (µV) pro Sekunde) zu unterstützen. Interne Verstärker puffern den Schalter und halten den Kondensator.

Die Erfassungszeit des S&H ist abhängig vom Wert des Haltekondensators, der im Bereich von 0,001 bis 0,1 Mikrofarad (µF) liegen kann. Der externe Haltekondensator muss eine geringe dielektrische Absorption und eine geringe Leckage aufweisen. Polystyrol-, Polypropylen- und Teflonkondensatoren werden empfohlen.

Abbildung 4: Das Blockdiagramm des Texas Instruments LF398MX/NOPB S&H zeigt die Schlüsselkomponenten: einen schnellen Schalter und einen externen Haltekondensator. (Bildquelle: Texas Instruments)

S&H-Merkmale

S&H-Geräte haben eine Reihe von spezifischen Begriffen zur Beschreibung ihrer Funktionsweise (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Definitionen der allgemeinen dynamischen Eigenschaften von S&H umfassen die Erfassungszeit, die Einschwingzeit, die Blendenzeit und den Amplitudenabfall. (Bildquelle: DigiKey)

Die Erfassungszeit ist die Zeit vom Umschalten in den Abtastmodus bis der S&H beginnt, das Eingangssignal zu verfolgen. Sie ist eine Funktion des Wertes des Haltekondensators und des Serienwiderstandes des Schalters und des Signalpfades. Wenn der Modus zum Halten zurückkehrt, kann es eine Zeitverzögerung geben, bis das Gerät die Verfolgung der Eingabe beendet und beginnt, einen Wert zu halten - dies ist die Blendenzeit. Die Blendenzeit ist eine Funktion der Ausbreitungsverzögerungen der Fahrer und der Weiche. Blendenunsicherheit oder Jitter ist die Variation der Blendenzeit aufgrund von Taktvariationen und Rauschen.

Sobald sich das Gerät im Haltemodus befindet, vergeht zwischen dem Eintritt in diesen Modus und dem Zeitpunkt, an dem es sich innerhalb eines Fehlerbandes um den Haltewert einpendelt, eine Zeit, die als Einpendel- oder Halte-Einpendelzeit bezeichnet wird. Ein Teil der Einschwingzeit kann einen unerwünschten Ladungsübergang zwischen dem Schalttreiber und dem Haltekondensator beinhalten; dies wird als Halteschritt oder Sockelfehler bezeichnet. Der Halteschritt hat normalerweise Größen im Millivoltbereich (mV) und seine Wirkung wird minimiert, indem der Vollbereich der Signale so hoch wie möglich gehalten wird.

Die kürzeste Abtastperiode für den S&H ist die Summe aus der Erfassungszeit, der Blendenzeit und der Einschwingzeit. Die maximal mögliche Abtastrate ist der Kehrwert der Summe aus Erfassungszeit, Blendenzeit und Einschwingzeit.

Während des Haltebetriebs kann der S&H-Haltewert aufgrund von Leckagen am Haltekondensator abnehmen. Dieses Spannungsinkrement wird als Droop bezeichnet. Sie wird üblicherweise als Pseudo-Abfallrate in mV pro Sekunde angegeben.

S&H-Konfigurationen

S&H ICs sind in vielen Konfigurationen erhältlich, um den Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Ziehen Sie eine Anwendung in Betracht, die Differenzeingänge erfordert, wie z.B. die Kopplung mit einem Differenzausgangsaufnehmer wie einem Beschleunigungsmesser, Dehnungsmessstreifen oder einer optischen Stromüberwachung. Der Maxim Integrated DS1843D+TRL ist ein gutes Beispiel für einen S&H IC für solche Anwendungen (Abbildung 6).

Abbildung 6: Wie in dieser typischen Betriebsschaltung gezeigt, handelt es sich bei dem Maxim Integrated DS1843+TRL um einen differentiellen S&H, der zur Implementierung der differentiellen Abtastung Dual-Hold-Kondensatoren verwendet. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Das gezeigte DS1843+TRL ist in einer typischen Anwendung für die Übertragung über eine optische Leitung zur Messung der empfangenen Signalstärke im Burst-Modus (Burst Mode Received Signal Strength Indicator, RSSI). Der Maxim Integrated DS1842/MAX4007 ist ein Strommonitor, der den Strom einer an seinem Referenzeingang angebrachten Lawinenfotodiode widerspiegelt. Der Ausgangsstrom wird durch den Widerstand R_IN geleitet und in eine Spannung umgewandelt. Diese Spannung wird differentiell vom DS1843 gemessen, der aus vollständig differentiellen Abtastschaltern und Kondensatoren, C_S, und einem differentiellen Ausgangspuffer besteht. Dieser S&H verwendet zwei 5-Picofarad (pF)-Kondensatoren, von denen einer an den positiven Differenzeingang und der andere an den negativen Differenzeingang angeschlossen ist. Der niedrige Kapazitätswert gewährleistet eine schnelle Erfassungszeit. Dieses Gerät hat eine schnelle Abtastzeit (Erfassungszeit) von weniger als 300 Nanosekunden (ns). Die Haltezeit des S&H ist größer als 100 µs.

Es sind Geräte erhältlich, die vier oder acht S&H-Schaltungen in einem einzigen IC-Gehäuse enthalten. Ein Beispiel ist Analog Devices' SMP04ESZ-REEL quad S&H. Das SMP04ESZ-REEL ist ein CMOS-Baustein mit vier S&H-Schaltungen in einem gemeinsamen Gehäuse und zeichnet sich durch eine Erfassungszeit von 7 µs und eine Droop-Rate von nur 2 mV/s aus (Abbildung 7).

Abbildung 7 veranschaulicht auch, wie S&Hs mit Digital-Analog-Wandlern (DACs) verwendet werden können, in diesem Fall zur Vermeidung von Ausgangstransienten oder Störimpulsen, die durch Codeübergänge im DAC verursacht werden.

Abbildung 7: Der Analog Devices SMP04 quad S&H enthält vier unabhängige S&H-Schaltungen zusammen mit passenden Pufferverstärkern. Die gezeigte Schaltung verwendet den SMP04, der zum Multiplexen des Ausgangs eines DACs auf vier Kanäle verwendet wird. (Bildquelle: Analog Devices)

In der Abbildung wird der SMP04 zum Multiplexen des Ausgangs eines DACs verwendet, wobei der einzelne DAC-Ausgang in vier gemultiplexte Kanäle aufgeteilt wird. S&H-Schaltungen können verwendet werden, um den DAC-Ausgang selektiv bis nach dem Glitch zu verzögern und dadurch den DAC-Ausgang zu glätten.

Mehrere S&H-Schaltungen können verwendet werden, um den Durchsatz eines ADCs durch Pipelining gemultiplexter Eingänge zu erhöhen. Hier werden mehrere S&Hs gemeinsam an den Multiplexerausgang angeschlossen. Der ADC ist an einen S&H angeschlossen, der den Eingangspegel für eine Konvertierung hält. Die anderen S&Hs erwerben andere Multiplexerkanäle und schließen sich wiederum an den ADC an, während der erste S&H frei ist, sich mit einem anderen Multiplexerkanal zu verbinden. Diese Pipelining-Technik eliminiert die S&H-Erfassungszeit im ADC-Signalweg.

Viele ADCs enthalten S&H- oder T&H-Schaltungen in ihrem integrierten Gehäuse. Ein Beispiel dafür ist der Texas Instruments ADC121S021CIMFX, ein 12-Bit-SAR-ADC (Successive Approximation Register) mit eingebautem T&H, der mit Abtastraten im Bereich von 50 bis 200 Kilosamples pro Sekunde (kS/s) arbeitet. Er verfügt über einen seriellen Hochgeschwindigkeits-Ausgangsbus, der das Verdrahtungslayout vereinfacht (Abbildung 8).

Abbildung 8: Der ADC121S021 von Texas Instruments ist ein 12-Bit-Einkanal-SAR-ADC mit einem eingebauten T&H-Schaltkreis. (Bildquelle Texas Instruments)

Dieser ADC ist typisch für viele integrierte ADC-Schaltungen, da er einen internen T&H hat, der das Leiterplatten-Layout vereinfacht und zur Minimierung der Komponentenanzahl beiträgt. Externe T&H-Schaltungen werden für spezielle Konfigurationen wie Differenzeingangsanschlüsse, Multiplex-Eingänge oder wenn der ADC keine interne T&H- oder S&H-Schaltung hat, verwendet.

Fazit

Diese sind für die Minimierung von Spannungsversatzfehlern während des Analog-Digital-Wandlungsprozesses von wesentlicher Bedeutung, da sie die Eingangsspannung zum ADC während der Wandlung konstant halten. Der S&H kann intern im ADC oder extern sein, muss sich aber im Signalweg zwischen dem Antialiasing-Tiefpassfilter und dem ADC befinden. Wie gezeigt, gibt es viele Konfigurationen - Einzel-, Differenzial- oder Mehrfachbausteine pro IC -, um eine Vielzahl von Designanwendungen zu erfüllen. Diese Anwendungen erstrecken sich auch auf die Verhinderung von Ausgangstransienten oder Störimpulsen, die durch Codeübergänge in DACs verursacht werden.

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