17.7.2. Основные характеристики увх.

Так как УВХ имеет два основных режима (режим выборки или слежения и режим хранения) и два типа перехода между режимами (от выборки к хранению и от хранения к выборке), обычно рассматривают группы технических требова­ний для этих четырех случаев.

Характеристики режима выборки (слежения).

Напряжение смещения нуля V_OS— отклонение выходного напряжения от нуля, когда входное напряжение равно нулю и УВХ находится в режиме хране­ния. Чтобы обеспечить необходимую точность преобразования АЦП, у вклю­ченного на его входе УВХ напряжение смещения нуля должно быть меньше не­которой доли S единицы младшего разряда (LSB), или

, (7.2)

где FS— напряжение полной шкалы АЦП/(п-п), a N— его разрядность. Напри­мер, микросхема LF398 считается 12-разрядным УВХ. Диапазон ее полной шкалы составляет 23 В/(п-п). Тогда по формуле (7.2) при S = 1: V_OS < 2.8 мВ. В то же время изготовитель гарантирует для нее V_OS< 7 мВ. LF398 имеет специ­альный вывод для подстройки смещения нуля, однако в настоящее время руч­ная подстройка нуля считается крайне нежелательной. У микросхемы SHC5320 типичное смещение нуля составляет 0.5 мВ.

2. Погрешность коэффициента усиления — относительная разность потен­циалов между входом и выходом УВХ (исключая напряжение смещения), когда УВХ находится в режиме выборки. Здесь мы предполагаем, что в идеале усиле­ние должно быть равно единице. При использовании совместно с АЦП по­грешность усиления должна быть меньше, чем SLSB, или

,

Для LF398 при N= 12 эта величина составляет не более 0.0122%. По пас­портным данным погрешность коэффициента усиления микросхемы не превы­шает 0.01%, т. е. находится в допустимых пределах.

3. Погрешность линейности — максимальное отклонение статической пере­ходной характеристики УВХ от идеальной прямой, проведенной так, чтобы это отклонение было минимальным. Гармонические искажения — следствие по­грешности линейности УВХ.

4. Полоса пропускания по мощности BW_fp обычно определяется двумя способами. Некоторые изготовители определяют ее как частоту, при которой усиле­ние по напряжению гармонического сигнала, имеющего амплитуду, равную полной шкале входа УВХ, снижается на 3 дБ относительно усиления на посто­янном токе. Другие находят эту полосу по результатам измерения максималь­ной скорости нарастания напряжения на выходе УВХ. Согласно этому опреде­лению полоса пропускания по мощности равна частоте гармонического сигнала, имеющего амплитуду в полную шкалу УВХ, максимальная скорость изменения которого равна максимальной скорости нарастания напряжения УВХ. Этому соответствует формула

,

где SR- скорость нарастания напряжения УВХ.

5.Полоса пропускания в режиме малого сигнала - частота, на которой усиление по напряжению УВХ снижается на 3 дБ относительно усиления на посто­янном токе для амплитуды входного сигнала, намного меньшей полной шкалы (по крайней мере, в 10 раз). Малосигнальная полоса в общем случае больше, чем полоса по мощности. Этот параметр важен в тех случаях, когда не требуется преобразования большой амплитуды сигналов высокой частоты.

6. Скорость нарастания - максимальная скорость изменения выходного на­пряжения, когда УВХ находится в режиме выборки. Поскольку скорость нарас­тания зависит от емкости конденсатора хранения, эта емкость должна быть оп­ределена в технических условиях в том случае, если конденсатор внешний. Скорость нарастания является важным динамическим параметром, потому что это определяет полосу пропускания по мощности и время выборки.

Характеристики перехода из режима выборки в режим хранения.

1.Апертурное время t_А, известное также как апертурная задержка, определя­ется по-разному различными изготовителями. Строго говоря, апертурное время — это интервал, в течение которого входной сигнал отключается от конденсато­ра хранения после поступления команды хранения (Рис. 7.36). Более широко распространенное определение — это интервал между поступлением команды хранения и моментом полного отключения конденсатора хранения.

Второе определение включает цифровую задержку между поступлением управляющей команды и началом процесса запирания ключа. В отличие от апертурного дрожания апертурное время не является фактором, ограничиваю­щим максимальную частоту синусоидального сигнала, поскольку для синусои­дального сигнала ошибка, вызванная апертурной задержкой, проявляется как изменение фазы, а не амплитуды.

2.Эффективное апертурное время задержки – время между подачей команды хранения и моментом достижения входным напряжением значения, равного выходному в момент перехода в режим хранения (см. Рис. 7.36). Если требуется точная синхронизация, то команду хранения нужно подать на «эффективное апертурное время задержки» раньше наступления необходимого момента фиксации.

3. Апертурное дрожание t_AJ,известное также как апертурная неопределен­ность, является неопределенностью апертурного времени. Апертурное дрожа­ние обусловлено шумом, который накладывается на управляющий сигнал. Час­то его определяют как среднеквадратическое отклонение апертурного времени.

Апертурное дрожание устанавливает верхний предел частоты гармониче­ского сигнала, который может быть преобразован в последовательность выбо­рок без потери точности. Чтобы не терять точность, следует придерживаться эмпирического правила: входной сигнал не должен изменяться больше чем на +SLSB в течение апертурного дрожания. Для синусоидального сигнала V= Asin(2 ft); это дает

,

где А — половина максимального диапазона входного сигнала данного УВХ. Учитывая, что SLSB = A/2^N, находим

. (7.3)

В качестве примера использования этого критерия рассмотрим 12-разрядный АЦП, УВХ которого имеет апертурное дрожание 100 пс. В этом случае он мог бы преобразовывать сигналы частотой вплоть до 388 кГц. Естественно, что согласно теореме Котельникова (или Шеннона или критерию Найквиста) час­тота преобразования этого АЦП должна быть более 766 кГц.

4. Инжекция заряда – количество электричества, перемещенного на об­кладки конденсатора хранения при размыкании ключа. Инжекция заряда обу­словлена емкостной связью между конденсатором хранения и затвором ключе­вого транзистора. Из-за инжекции заряда имеет место шаг хранения на выходе УВХ. Для схем, у которых конденсатор хранения С_H связан с входным сигналом через входной буферный усилитель (см. Рис. 7.31, 7.32) инжекция заряда — функция входного напряжения, причем функция нелинейная, что ведет к нели­нейным искажениям.

5. Шаг хранения, называемый также «пьедесталом», является приращением выходного напряжения на переходе выборка-хранение (Рис.7.37).Он вызван инжекцией заряда в конденсатор хранения.

Шаг хранения может быть определен по формуле

,

Где q- величина инжекции заряда. Следовательно, шаг хранения может быть уменьшен путем увеличения емкости конденсатора хранения. Это, однако, приведет к увеличению времени выборки. Для аналого-цифрового преобразо­вания желательно, чтобы шаг хранения был независим от входного напряжения и не превышал SLSB.

6. Время установления режима хранения t_HS - минимальное время, по про­шествии которого с момента подачи команды хранения выходное напряжение не выходит за границы определенной области. Эта область обычно составляет не более 0.01% полной шкалы входного сигнала. Для АЦП требуется, чтобы от­клонения выходного напряжения от установившегося значения не превышали SLSB до начала преобразования. Время установления режима хранения являет­ся важным параметром при аналого-цифровом преобразовании, поскольку сумма времени выборки t_AQ, времени установления режима хранения t_HS и вре­мени преобразования АЦП t_HC определяют максимальную частоту дискретиза­ции системы УВХ-АЦП.

.

7. Амплитуда переходного процесса выборка-хранение характеризует максимальный выброс выходного напряжения при этом процессе. Если УВХ исполь­зуется для устранения выбросов выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя, эта амплитуда должна быть минимальна.

Характеристики режима хранения.

1.Скорость спада в режиме хранения dV_CH/dt — скорость, с которой изменя­ется выходное напряжение из-за разряда конденсатора. Если УВХ имеет внут­ренний конденсатор хранения, то эта величина указывается в паспортных дан­ных, однако если добавляется внешний конденсатор, то скорость спада зависит от емкости конденсатора и определяется уравнением

,

где I_Q — ток разряда конденсатора. Он складывается из токов утечки внешнего конденсатора и коммутатора, а также из входного тока выходного буферного усилителя УВХ.

Низкая скорость спада особенно важна для приложений, где выбранное на­пряжение должно удерживаться в заданных границах в течение продолжитель­ного времени. При аналого-цифровом преобразовании недопустимо, чтобы выходное напряжение изменилось за время преобразования на SLSB. В таком случае скорость спада будет

.

При заданном токе утечки скорость спада можно уменьшить путем увеличе­ния емкости конденсатора С_H. Однако это увеличит время выборки.

2. Коэффициент проходного ослабления A_F определяет часть входного сигнала, которая появляется на выходе, в то время как УВХ находится в режиме хране­ния. Коэффициент проходного ослабления приводится в паспортных данных для сигналов постоянного тока и как значение для определенной частоты сиг­нала. Для аналого-цифровых преобразований эта часть должна быть, по край­ней мере, меньше, чем SLSB для входного сигнала, соответствующего полной шкале. Следовательно, коэффициент проходного ослабления A_F должен быть, по крайней мере

A_F>20 log(2^{N + 1}) = 6.02(N+ 1) дБ, где N — разрядность АЦП.

Характеристики перехода из режима хранения к режиму

выборки.

Время выборки t_AQ определяет, как долго при самых неблагоприятных усло­виях длится процесс заряда конденсатора хранения до величины входного на­пряжения с заданным уровнем допуска. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала выборки чреват значительными ошибками. В паспортных данных УВХ указывается время выборки при определенной емкости конденса­тора хранения. Можно уменьшить время выборки, выбрав конденсатор хране­ния меньшей емкости, но это приведет к увеличению шага хранения и скорости спада.

В Табл.7.2 приведены основные характеристики некоторых типов УВХ, выпускаемых промышленностью.