信号转换I模拟开关采样保持电路.ppt

1,第六章信号转换电路,从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从自然界物理量到电量的转换（传感器）电量之间的转换从电量到物理量的转换,信号转换电路用途：将各类型的信号进行相互转换，使具有不同输入、输出的器件可以联用。,2,3,便携式摄相机电子框图,4,5,第一节采样保持电路电路,采样保持电路具有采集某一瞬间的模拟输入信号，根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。,采样：电路的输出跟踪输入模拟信号；保持：电路输出保持采样结束时刻的瞬时模拟输入信号，直至下一次采样状态为止。,6,一、基本理论,7,采样:采集器必须与输入信号相连接，且不影响输入信号；采样的信号是被采信号的“拷贝”。保持：能储存信号（信号的存在是以能量来刻画）能够存储能量的元件：电感和电容,如何实现采样和保持？,通常电感体积大，价格高，在集成电路中制造较困难，同时,电流的信号也很难处理,故较少使用。通过分析，我们用一个开关和电容就可实现信号的采样和保持。,8,简单的采样保持电路,9,如何实现采样和保持？,1、新的问题：信号如何保持住？要求信号能够输出且能保持住，电容不应形成放电回路。对电容的负载，必须是高阻！,2、新的问题：如何可以不影响输入信号？放大器跟随器可实现信号跟踪而不影响输入信号。,10,采样保持电路的基本性质组成：模拟开关模拟信号存储电容输入/输出缓冲放大器,输入信号加跟随器的作用？减小负载影响，提高充电电流。,11,1、满足采样定理2、精度和速度为提高实际电路的精度和速度，可从元件和电路两方面着手解决。,对采样保持电路的主要要求：,12,1、采样定理：,输入信号频谱,采样信号频谱,c)S/H电路输出信号频谱,13,2、元件性能的影响和要求：,输入输出缓冲器：提高负载能力和减小负载对信号源的影响；,特别需注意的参数：输入偏置电流以及带宽，上升速率和最大输出电流等性能参数。,14,电子开关：,开关的状态受电压的控制。在数据采集中,常用来控制信号的接通或关断,模拟开关是构成采样保持电路（S/H）、模数转换器(D/A)、函数发生器、斩波放大器、开关电源等的主要元件。,二、模拟开关,15,电子开关相对于机械开关：优点：切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。缺点：导通电阻较大，输入电流容量有限，动态范围小等。因而集成模拟开关主要使用在高速切换、要求系统体积小的场合。,结型FET开关,MOSFET开关,双极性结型晶体管开关（BJT）,16,理想开关及其I-V特性,开关SW的闭合或断开由控制信号C/O决定：当SW闭合时，无论电流多少，它的电压为零；当开关断开时，无论电压是多少，它的电流为零。,17,(一)、双极性结型晶体管（BJT）开关：,BJT三个工作区域：放大区（线性区）、截止区和饱和区（非线性区）；当发射结和集电结都反向偏置时，BJT截止；当发射结正向偏置而集电结反向偏置，BJT工作在放大区；当发射结和集电结都正向偏置时，BJT饱和。,双极性结型晶体管又称为晶体三极管或晶体管，因为其工作过程中两种载流子都参与导电，所以称其为双极性。,BJT模拟开关用到的是BJT的非线性区BJT截止时：集电极与发射极间漏电流很小，认为断开；BJT饱和时：集电极与发射极间压降很小，认为短接；,18,BJT构成的模拟开关1：,当控制信号Vc为正时，V饱和导通，集电极和发射极间的电压Vce0，输出与地短接，Vo0；,当控制信号Vc为负时，V截止，所以输出信号跟随输入信号，VoVi,19,BJT构成的模拟开关2：,当控制信号Vc为负时，V截止，电阻R上没有压降，Vo0；,当控制信号Vc为正时，V饱和导通，集电极和发射极间的电压Vce0，所以输出信号跟随输入信号，VoVi,20,(二)、场效应晶体管（FET）模拟开关：,场效应晶体管也称场效应管，它是利用电场来控制半导体载流子运动。在场效应管中，参与导电的只有一种载流子，所以称为单极性晶体管。,FET分类：结型场效应晶体管（JFET）模拟开关和绝缘栅型场效应管（IGFET），最常用的绝缘栅型场效应管是金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）,与BJT相比优点：场效应管不仅体积小、重量轻、寿命长，而且具有动态范围大、热稳定性好、制造工艺简单和便于集成的优点。FET非常小的导通电阻、非常大的截止电阻及具有高的通断电阻比的特性，非常适合用来做模拟开关,21,JFET开关-n沟道,A、结型场效应晶体管（JFET）模拟开关：,22,结型场效应管开关（JFETN),假设输入电压的范围为V2到V1,且V1V2。右图JFET作为一串联开关。（1)如果VGS=0,JFET导通;(2)如果VGV2-VP,JFET关闭。,JFET模拟开关,由于源级电位的变化，VGS=0不易实现,23,结型场效应管开关（JFET-N),导通状态，JFET受二级管保护,二极管反相偏置：如果VC比输入信号正的最大值还大的时候，使G与VC断开，VGS=0得到实现,24,例子：若输入信号范围为-10VVi10V,且Vp=6V.右图开关的控制电压Vc应为多少？,（1)使JFET关闭：VGToff,理想模拟开关时Ton0，Toff0,35,元件性能的影响和要求,为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通电阻和反向漏电流等参数都应小。,实际的场效应模拟开关模型1当闭合时,相当一个小电阻(如DG403,RONVP1,V1关闭,VD2反偏,VG23=VS1,VG23S1=0,V导通；当VC=VS1时，VS2=VS1=VG23,VG23S2=0,V2导通,（二）、带补偿电容的S/H电路,43,当Uc低电平，VD1反偏，VS1=VG1,VG1S1=0,V1导通；V2和V关闭,44,电容校正方法的矛盾精度-速度,45,减少反馈回路中的时间常数数目来提高速度,（三）、高速S/H电路,46,总结从元件上考虑,模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率（上升速率）大的运算放大器；输入运放还应具有大的输出电流,47,总结从线路上考虑,1模拟开关漏电流的旁路2电容校正法3通过减小反馈回路中的时间常数数目来提高速度,