Circuite de esantionare si memorare

Circuite de esantionare si memorare

Circuitele de esantionare si memorare S/H (conform prescurtarii sample and hold) sunt componente esentiale ale sistemelor de achi-zitii de date si ale structurilor ce contin convertoare analog-numerice.

Aceste circuite urmaresc evolutia unei tensiuni in intervalul prin functia de esan-tionare si memoreaza ultima valoare a acesteia, pe durata intervalului si prin functia de memorare.

Principiul realizarii celor doua functii se prezinta in figura 8.83. Din examinarea ei rezulta ca precizia de reproducere a semnalului esantionat creste cu cresterea frec-ventei de esantionare.

Pentru indeplinirea functiunilor rezultate din princiipiul de functionare in schema acestor circuite intalnim ca elemente spe-cifice comutatoarele analogice bidirectionale.

Calitatea esentiala a acestora trebuie sa fie rezistenta in conductie (r_on ) cat mai mica si rezistenta in stare blocata (r_off) cat mai mare.

Ele se realizeaza cu tranzistoare cu efect de camp (cu jonctiune sau MOS) sau cu diode.

Un exemplu de comutator realizat cu tran-zistor JFET se prezinta in figura 8.84. Figura prezinta atat schema de principiu cat si simbo-lizarea, punand in evidenta posibilitatea co-menzii cu semnale logice TTL sau CMOS.

Functionarea circuitului fiind evidenta, nu se descrie.

Un exemplu practic de circuit de esantionare si memorare se prezinta in figura 8.85.

In afara de comutatorul prezentat circuitul contine doua amplificatoare inte-grate in montaj de repetor.

In regimul de esantionare, corespunzator nivelului zero logic, comutatorul este inchis si tensiunea de pe condensatorul de memorare urmareste tensiunea de in-trare u_i. Repetorul realizat cu  A asigura prin rezistenta sa de intrare foarte mare si rezis-tenta de iesire foarte mica un regim lejer (neincarcat) pentru sursa ce furnizeaza tensiunea de intrare u_i si urmarirea rapida a variatiilor sale.

Repetorul A , cu aceleasi caracteristici ca si

A asigura transferul spre iesire al valorii tensiunii U_CM de la bornele condensatorului de memorare C_M

Reactia negativa globala asigura egali-tatea riguroasa a tensiunii de iesire cu cea de intrare in intervalul de memorare. Pe durata acesteia diodele D si D sunt blocate.

In intervalul de memorare, comutatorul

Co1 este deschis. Circuitul transfera la ie-sire prin A tensiunea de la bornele condensa-torului de memorare.

Una din diodele D sau D va fi deschisa impiedicand saturarea iesirii amplificatorului A . Astfel acesta trece rapid in regim de esan-tionare la terminarea perioadei de memorare.

Datorita valorii mari a rezistentei de intrare a lui A si a comutatorului deschis, condensatorul de memorare se descarca foarte putin in intervalul de memorare.

Pentru realizarea unui circuit S/H per-formant componentele sale trebuie sa indepli-neasca cateva conditii severe si anume:

1. A trebuie sa aiba:

- capacitate mare de a furniza (si ab-sorbi) curent;

- SR de valoare mare

- decalaj initial de tensiune redus

- deriva redusa

- amplificare foarte mare

2. A trebuie sa aibe:

- curent de polarizare mic

- SR suficient de mare

3. Condensatorul de memorare, avand valori de ordinul sutelor de picofarazi, trebuie sa aibe curenti de scurgere prin izolatie cat mai mici. Din acest motiv se recomanda utilizarea condensatoarelor cu teflon sau polistiren.

Dezavantajul esential al circuitului S/H prezentat anterior este efectul produs de exis-tenta capacitatii grila-drena a tranzistorului comutator.

Prezenta acestei capacitati face ca la trecerea in regim de memorare sa apara cu salt negativ de tensiune la bornele condensatorului de memorare si implicit si la iesire. Valoarea acestui salt, Du_e, se apreciaza conform relatiei 8.194.

Intrucat in intervalele de esantionare si

de memorare sunt valabile respectiv relatiile 8.195 si 8.196,

8.194

8.195

8.196

rezulta un salt de tensiune:

8.197

care poate lua valori de ordinul zecilor de mV, inadmisibili de mari pentru aplicatii cu pre-tentii minime.

Din acest motiv aceasta eroare determinata de saltul de memorare trebuie redusa. O metoda posibila de reducere este compensarea. Aceasta consta in injectarea in condensator a unei sarcini egale cu cea data de relatia 8.194.

O alta posibilitatea consta in utilizarea unor circuite S/H ce implementeaza anumite artificii. In acest sens se prezinta in continuare un circuit de esantionare si memorare per-formant, numit "cu integrator."

Specificul acestui circuit consta in aceea ca saltul de tensiune la memorare este constant, capacitatea grila-drena fiind conec-tata dupa cum se observa intre puncte cu poten-tiale cunoscute.

Datorita acestui fapt saltul de memorare poate fi asimilat unui offset de valoare constanta si cunoscuta ce poate fi com-pensat prin echilibrare. Un exemplu in acest sens il prezinta cir-cuitul S/H prezentat in figura 8.86.

O alta varianta performanta de circuit de esantionare su memorare, tot cu "integrator" se prezinta in figura 8.87. El functioneaza in felul urmator:

In regim de esantionare sunt inchise comu-tatoarele Co1 si Co2 si este deschis comuta-torul Co3. In regim de memorare sunt deschise comutatoarele Co1 si Co2 fiind inchis comuta-torul Co3. In acest fel este impiedicata transmiterea spre iesire a variatiei ten-siunii de in-trare. Tensiunile la bornele comutatoarelor Co1 si Co2 fiind reduse si aproximativ egale, singura posibilitate de alterare a informatiei inmagazinate pe C_M este descarcarea prin rezis-tenta de intrare a amplificatorului A de va-loare foarte mare (prin alegerea potrivita a tipului acestuia). O conditie a functionarii

corecte este egalitatea capacitatilor conectate la cele doua intrari ale amplificatorului A

intrucat in acest fel saltul de memorare apare la ambele intrari ale lui A , tensiunea de intrare diferentiala se mentine constanta.

O alta varianta de circuit de esantionare si memorare se prezinta in forma simplificata in figura 8.88.

Functionarea sa contine trei sec-vente si anume:

- esantionare

- memorare

- stergere

In faza de esan- tionare tranzis-

toarele T si T sunt blocate in timp ce T con-duce. Amplificatorul operational functioneaza in regim de integrator, tensiunea pe con-densatorul C fiind o masura a valorii medii a tensiunii de intrare u

Adoptand:

8.198

se obtine pentru tensiunea de iesire ex-presia:

8.199

In faza de memorare intrucat toate tran-zistoarele sunt blocate, condensatorul C se descarca cu foarte putin prin curentii rezi- duali ai tranzistoarelor T₁ si T₃ si prin curentul de po-larizare al am-plificatorului operational. Prin alegerea unor componente de calitate, tensiunea de iesire se modifica nesemnificativ.