2.5. Элементы аналоговой памяти

При сборе аналоговой информации и ее последующей обработке часто бывает необходимо зафиксировать значение регистрируемого сигнала в некоторый момент времени. В аналоговой схемотехнике эту функцию выполняют устройства выборки-хранения.

2.5.1. Устройства выборки-хранения

При построении устройств выборки-хранения (УВХ) в качестве элементов памяти используют высококачественные конденсаторы.

В работе УВХ можно выделить два этапа:

- этап выборки (слежения, записи, запоминания), который характеризуется тем, что выходной сигнал после команды выборки с большой скоростью достигает величины входного и далее повторяет (отслеживает) его, пока не наступает момент начала хранения;

- этап хранения, который заключается в том, что на выходе УВХ сохраняется напряжение, выбранное на первом этапе, до тех пор, пока не закончится этот этап.

Основные варианты УВХ строятся по типу схем с буферным усилителем (рис. 2.42а) или путем включения запоминающего конденсатора в цепь обратной связи (рис. 2.42б). В схеме рис. 2.42а на этапе выборки управляющим напряжением U_упр открывается транзистор VT1 и конденсатор заряжается до U_вх. На этапе хранения транзистор VT1 закрывается, отключая С от U_вх. Время хранения t_xp определяется допустимой величиной относительной погрешности хранения

,

где U_c(o) - напряжение на конденсаторе в начале периода хранения;

U_c(t_xp) - напряжение на конденсаторе в конце периода хранения (разряд за счет неидеальности используемых элементов схем). При построении УВХ по схеме рис 2.42а время хранения можно определить как

, (2.23)

где I_ут - ток утечки запертого ключа (для МОП транзисторов );

- входное сопротивление повторителя на ОУ,

r_вхд - входное дифференциальное сопротивление ОУ;

r_вхсф - входное синфазное сопротивление ОУ;

К_оосф - коэффициент ослабления синфазного входного сигнала, выраженный в относительных единицах.

Работа УВХ, собранного по схеме 2.42б, аналогична работе интегратора, а время хранения может быть определено как

. (2.24)

Рис. 2.42. Основные варианты схем реализации УВХ

Расчет элементов УВХ по схеме рис.2.42а предлагается производить по следующей методике [49]:

- по формуле рассчитывается сопротивление R_доб;

- приняв сопротивление R₂=20 кОм, рассчитывается величина , где К - коэффициент усиления ОУ;

- исходя из формулы (2.23) определяется величина емкости

;

- определяется минимальное время хранения, необходимое для записи информации (длительность отрицательного управляющего импульса на затворе транзистора): .

Схема расчета УВХ по схеме на рис.2.42б иная:

- приняв R₂=20кОм, рассчитывается R₁=R₂/K;

- находится напряжение, до которого заряжается конденсатор в режиме хранения: U_c(o)=U_BX К;

- в соответствии с формулой (2.24) рассчитывается величина емкости: ;

- определяется минимальное время, необходимое для записи информации: .

Для исключения влияния внутреннего сопротивления источника сигнала на работу УВХ целесообразно подключить входной каскад на ОУ, охваченный общим контуром отрицательной обратной связи (рис. 2.42в).

Переключение режима работы УВХ осуществляется ключом К по сигналу управления U_y. Нa этапе выборки ключ К замкнут и конденсатор заряжается от источника входного сигнала U_вх. Напряжение на конденсаторе изменяется в соответствии с выражением

,

где U_t(t_xp) - напряжение на конденсаторе к моменту начала нового цикла выборки (концу цикла хранения);

- постоянная времени заряда конденсатора;

R_ис - сопротивление источника сигнала;

R₃ - сопротивление замкнутого ключа.

В момент окончания режима выборки t_в напряжение на конденсаторе на некоторую величину может не достигать значения U_вх и будет равно U_с(t_вх). Тогда относительная погрешность выборки будет определяться выражением

.

Из последнего выражения легко определяется необходимое время выборки t_в, чтобы ошибка выборки не превышала заданной величины

.

В режиме хранения ключ К разомкнут и конденсатор медленно разряжается через входное сопротивление буферного каскада R_бк, выполненного на повторителе А₂ с высоким входным сопротивлением, через сопротивление разомкнутого ключа R_p и сопротивление утечки самого конденсатора R_y.

Учитывая уравнение для разряда конденсатора, можно записать, что для некоторого момента времени хранения t'_xp напряжение на конденсаторе определяется как

,

где .

Уменьшение напряжения на конденсаторе памяти за счет разряда приводит к ошибке хранения. Относительная погрешность хранения может быть определена с помощью выражения

,

откуда

.

По схеме, приведенной на рис. 2.42в выполнены промышленные интегральные микросхемы типа LF398 и 1100CK2 (рис. 2.43).

Рис. 2.43. Структурная схема микросхемы типа 1100СК2

Управление ключом S осуществляется через операционный усилитель А3 по сигналам , . При замкнутом ключе вследствие действия отрицательной обратной связи напряжение на выходе А1 устанавливается таким, что U_вых отличается от U_вх на величину напряжения смещения А1, а смещение из-за ключа у второго ОУ – А2 – стремится к нулю. Диоды VD1 и VD2 закрыты из-за малого напряжения смещения А1. При размыкании ключа S управляющими напряжениями может возникнуть разрыв отрицательной обратной связи у А1, что может повлечь его переход в режим насыщения. Этот неблагоприятный режим устраняется диодами VD1, VD2 и резистором R₁. При этом снижается время переходного процесса при повторном замыкании ключа S.

На точность работы рассмотренных схем влияет ряд параметров: токи утечки ключей, входные токи ОУ, паразитные емкости и сопротивления и др. Чтобы уменьшить влияние этих погрешностей прибегают к специальным схемным решениям, например, строят УВХ с компенсацией. Эти УВХ используются при обработке медленно-меняющихся сигналов, характеризующих процессы жизнедеятельности с большой постоянной времени (время хранения до десятков минут) [15]. Структурная схема такого УВХ приведена на рис.2.44а. Здесь К - ключ, С – конденсатор памяти, БК - буферный каскад, ИН - интегратор, АС - аналоговый сумматор. На рис.2.43, б показана временная диаграмма работы этого УВХ. В момент окончания времени выборки t_в на конденсаторе устанавливается напряжение U_c(t_в) в соответствии с выражением

.

Рис. 2.44. Схема УВХ с компенсацией

В момент выборки сигналом U_y на выходе интегратора поддерживается нулевой потенциал. С момента начала режима хранения напряжение на конденсаторе начинает изменяться согласно выражению

.

Если коэффициент передачи БК (например, повторитель) равен единице, то напряжение U_c(t’_xp) поступает на вход и аналогового сумматора и интегратора. После интегрирования последнего выражения для выхода интегратора получаем

,

где T_и - постоянная времени интегратора, если выполнить условие τ_хр=Т_и и принять весовые коэффициенты сумматора равными единице, то на его выходе сформируется сигнал

Следовательно, за счет суммирования двух экспоненциальных напряжений производится компенсация погрешности, возникающей в режиме хранения.

Примером УВХ с интегратором служит микросхема SHC5320.