Рис. 13. Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором
Приведенные примеры составляют ничтожно малую часть схем, использующих аналоговые ключи. Одной из наиболее значимых областей применения ключей являются рассматриваемые нами далее устройства выборки-хранения (УВХ).
УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ
При сборе аналоговой информации, и ее последующем преобразовании, бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в определенный момент времени. Некоторые типы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) могут давать непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал изменяется за время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) некоторых типов из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются флуктуации выходного напряжения. Для устранения этих явлений необходимо зафиксировать значение входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП на время преобразования.
Устройства выборки-хранения, выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения — сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки.
Рис. 14,а демонстрирует, как можно сделать простейшую схему выборки-хранения. Когда ключ S замкнут, выходное напряжение повторяет входное (состояние 1, рис. 14,б). Чтобы запомнить уровень аналогового сигнала в любой заданный момент, вы просто размыкаете ключ (состояние 2). Высокое полное входное сопротивление буфера на основе операционного усилителя (ОУ, у которого на входе должны быть полевые транзисторы, чтобы входной ток не слишком отличался от нуля) предотвращает нагрузку конденсатора Схр, так что напряжение на нем "хранится" до тех пор, пока ключ не замкнется снова.
Рис. 14. Схема простейшего УВХ (а) и сигналы на его входах и выходах (б)
Рассмотренная нами схема УВХ имеет ряд принципиальных недостатков. Во-первых, при замкнутом ключе источник сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Во-вторых, операционные усилители с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве выходных повторителей, имеют значительное смещение нуля.
Рассмотрим подробнее схемотехнику устройства выборки-хранения на примере выполненного в виде интегральной микросхемы УВХ типа К1100CК2, выпускаемой отечественной промышленностью (рис. 15). ОУ1 — это повторитель, предназначенный для формирования низкоомного аналога входного сигнала. Ключ S пропускает сигнал во время выборки и блокирует его прохождение в момент хранения. Конденсатор Схр запоминает сигнал таким, каким он был в момент выключения ключа. ОУ2 — это повторитель с большим входным сопротивлением, благодаря чему минимизируется ток через конденсатор во время хранения. Величина Схр выбирается, исходя из компромисса: ток утечки в ключе, и повторителе вызывает спад напряжения на конденсаторе С во время запоминания в соответствии с выражением dU/dt = Iутечки/С
Рис. 15. Функциональная схема промышленно выпускаемой интегральной схемы УВХ К1100CК2
В связи с этим для минимизации спада напряжения конденсатор С должен быть большой емкости. Однако сопротивление ключа во включенном состоянии образует в сочетании с этим конденсатором фильтр низких частот. В связи с этим Схр должен быть небольшой емкости, тогда высокочастотные сигналы, проходящие на выход схемы при замкнутом ключе, не будут искажаться.
ОУ1 должен обеспечивать ток заряда конденсатора равный I = C(dU/dt) и должен обладать достаточной скоростью нарастания для повторения входного сигнала. На практике скорость нарастания всей схемы обычно ограничивается выходным током первого ОУ и сопротивлением ключа во включенном состоянии.
ОУ1 управляет емкостной нагрузкой. Поэтому используются операционные усилители, обладающие стабильностью при единичном коэффициенте усиления и большой емкостной нагрузке (до 0,1 мкФ).
Заметьте, что схема на рис. 15 имеет общую отрицательную обратную связь (ООС): с выхода ОУ2 на инвертирующий вход ОУ1. Когда ключ замкнут, потенциал выхода ОУ1, вследствие действия ООС, устанавливается таким, что Uвых отличается от Uвх на величину напряжения смещения ОУ2. При этом смещение, возникающее из-за наличия ключа и ОУ2 компенсируется. Диоды D1 и D2 в этом состоянии заперты, так как напряжение на них, равное указанному смещению, достаточно мало (1-20 мВ).