|
'Sample and hold' betekent 'neem een monster en hou dit vast'. Dat is dan ook precies wat een sample and hold ( S&H), te beschouwen als een analoog geheugen, doet. 
|
Kennismaking met sample and hold schakelingen
Wat is een S&H?
Een S&H is in staat gedurende een vrij korte tijd de momentele waarde van een analoge spanning te 'onthouden'. In de onderstaande figuur is het basisprincipe van een S&H getekend. De schakeling heeft een analoge ingang IN, een analoge uitgang UIT, een digitale besturingsingang 'HOLD CONTROL' en een pen waarop u een hold-condensator CH kunt aansluiten. Als de HOLD CONTROL laag is zal de schakeling als analoge buffer werken. Men noemt dit de sample- of track-mode van de schakeling. De uitgangsspanning is gelijk aan de ingangsspanning.
Als echter de HOLD CONTROL hoog wordt dan zal de uitgang gelijk blijven aan de momentele waarde van de ingangsspanning op het moment van het verschijnen van de HOLD-puls. Men noemt dit de hold-mode van de schakeling. De uitgang bewaart deze momentele waarde totdat de HOLD CONTROL puls weer wegvalt.
Uiteraard kan de werking ook omgekeerd zijn: hold bij een 'L', sample bij een 'H'.
 |
| Het basisprincipe van een S&H. (© 2020 Jos Verstraten) |
Vaak leest u in technische artikelen T&H in plaats van S&H. Dat is de afkorting van 'Track and Hold'. In de vorige paragraaf hebben wij de begrippen 'sample' en 'track' in één zin genoemd. In de literatuur worden de termen S&H en T&H voor hetzelfde principe gebruikt.
De hold-condensator CH
Het zal wel duidelijk zijn dat de condensator CH, de hold-condensator, een belangrijke rol in dit proces speelt. De momentele spanning wordt namelijk in dit onderdeel opgeslagen en u kunt deze condensator dan ook als 'analoog geheugen' beschouwen. De kwaliteit van een S&H-schakeling wordt in hoge mate bepaald door de eigenschappen van de hold-condensator!
Toepassingen
Sample and hold schakelingen worden voornamelijk gebruikt bij analoog naar digitaal omzetters. Een aantal ADC-basisschakelingen kan immers alleen goed werken als de analoge ingangsspanning die gedigitaliseerd moet worden tijdens de omzetting constant blijft. Er wordt dan een S&H ingeschakeld die de waarde van de ingangsspanning tijdens de omzettingstijd 'bevriest' zodat de ADC deze constante spanning in een binaire code kan omzetten.
Daarnaast zijn er echter nog andere toepassingen denkbaar zoals:
- Geheugens voor het vasthouden van piekwaarden van analoge spanningen.
- Schakelingen waarmee u de offset van een operationele versterker automatisch kunt compenseren, zogenaamde 'auto-zero'-schakelingen.
- Demodulatoren voor dubbelzijband gemoduleerde signalen.
- Correlators die in staat zijn kleine signalen terug te winnen uit een veel groter ruissignaal.
- Onderdrukkers van common-mode signalen die bijvoorbeeld in staat zijn een laagfrequent signaal te bevrijden van brom.
Werkingsprincipes van S&H schakelingen
Inleiding
Geïntegreerde sample and hold schakelingen kunnen op diverse manieren zijn opgebouwd. In de volgende paragrafen worden de verschillende systemen in het kort besproken.
Sample and hold met één schakelaar
De eenvoudigste schakeling is getekend in de onderstaande figuur en bestaat uit een operationele versterker OP1 aan de ingang, die een zeer lage uitgangsimpedantie heeft. De uitgang is via een elektronische schakelaar S1 verbonden met een tweede operationele versterker die als buffer is geschakeld. Deze OP2 heeft dus een zeer hoge ingangsimpedantie. De hold-condensator CH is verbonden tussen de ingang van de buffer en de massa. De elektronische schakelaar wordt gestuurd uit de HOLD CONTROL ingang van het IC.
Als de schakelaar gesloten is zal de condensator parallel worden geschakeld over de uitgang van de operationele ingangsversterker. Omdat deze een zeer lage uitgangsweerstand heeft en de waarde van de condensator laag is, zal deze capacitieve belasting de werking van de schakeling nauwelijks beïnvloeden. De spanning over de condensator is op ieder moment gelijk aan de momentele waarde van de ingangsspanning.
De volledige schakeling werkt in feite als een gewone operationele versterker.
Als de schakelaar geopend wordt zal de momentele spanning over de condensator, gelijk aan de waarde van de ingangsspanning op dat moment, niet kunnen afvloeien. Zowel de geopende schakelaar als OP2 hebben immers een zeer hoge weerstand. De spanning kan dus alleen afvloeien via zeer lage lekstromen, hetgeen tot gevolg heeft dat de spanning over de condensator tamelijk constant blijft.
Op de uitgang van de S&H staat de spanning die op de ingang stond op het moment dat de hold-puls verscheen.
Na het wegvallen van de hold-puls zal de schakelaar weer sluiten, de condensator laadt zeer snel weer op tot de momentele waarde van de ingangsspanning en zal deze spanning getrouw volgen.
 |
| De eenvoudigste S&H-schakeling. (© 2020 Jos Verstraten) |
De vorige schakeling heeft als bezwaar dat de condensator een capacitieve belasting vormt gedurende de sample-periode van de schakeling. Deze belasting vormt met de kleine uitgangsimpedantie van OP1 een laagdoorlaat filter van de eerste orde, zodat de bandbreedte en de stijgtijd van de schakeling nadelig worden beïnvloed.
Dit bezwaar wordt opgelost bij schakelingen die werken volgens het principe van de onderstaande figuur. Er zijn nu twee elektronische schakelaars aanwezig, die via de CONTROL-schakeling gestuurd worden uit het HOLD-signaal.
In de sample-mode is schakelaar S1 gesloten en schakelaar S2 geopend. De ingang is rechtstreeks doorverbonden met de uitgang, de schakeling werkt als ideale buffer.
In de hold-mode wordt S1 geopend en S2 even gesloten. Door dit heel even sluiten van S2 zal de hold-condensator opladen tot de momentele waarde van de ingangsspanning.
Nadat de schakelaar weer geopend wordt (beide schakelaars zijn dus open) is de condensator weer alleen aangesloten op de hoge uitgangsimpedanties van de schakelaar en de tweede buffer.
Deze schakeling heeft als groot voordeel dat de RC-tijdconstante van de versterker en de condensator geen invloed heeft op de schakeling in de sample-mode.
 |
| Een S&H principe, waarbij twee schakelaars ervoor zorgen dat de hold-condensator alleen in de hold-mode een rol speelt. (© 2020 Jos Verstraten) |
Bij de besproken schakelingen wordt de condensator bij het aanleggen van de hold-puls plotseling met de ingangsspanning verbonden. Op dat moment kan er een groot spanningsverschil bestaan tussen de spanning over de condensator en de momentele waarde van de ingangsspanning. Het duurt dus een bepaalde tijd voordat de condensator tot de nieuwe spanning is opgeladen. Dit vertraagt de werking van de schakeling en bovendien is deze vertragingstijd niet constant maar afhankelijk van het toevallige spanningsverschil tussen condensator en ingang.
Bij de schakeling van de onderstaande figuur zijn drie schakelaars aanwezig, waarbij S1 and S3 door hetzelfde signaal bestuurd worden en S2 in tegenfase gestuurd wordt.
In de sample-mode zijn S1 en S3 gesloten en is S2 open. De uitgang van OP1 gaat rechtstreeks naar de ingang van OP2, de hold-condensator is verbonden met de uitgang van OP2. Deze operationele versterker heeft een zeer lage uitgangsimpedantie, zodat de schakeling niet veel moeite heeft om de condensator op te laden tot de momentele waarde van de ingangsspanning. Weliswaar bestaat er nu ook een RC-filtertje, maar door de zeer lage waarde van de uitgangsimpedantie van de op-amp en de lage waarde van de condensator heeft dit laagdoorlaat filter geen effect in het frequentiebereik van de schakeling.
Bij het omschakelen naar hold-mode gaan S1 en S3 open en sluit S2. De condensator wordt nu verbonden met de niet-inverterende ingang van de uitgangsversterker. De lading van de condensator kan ook nu niet afvloeien, zodat de momentele waarde van de ingangsspanning opgeslagen blijft.
Het grote voordeel van dit systeem is dat de spanning over de condensator ook in de sample-mode de variaties van de ingangsspanning volgt. Er bestaat dus slechts een zeer klein spanningsverschil tussen de waarde van de ingangsspanning en de spanning over de condensator op het moment dat wordt omgeschakeld naar hold-mode. De condensator past zich zeer snel aan aan de momentele waarde van de ingangsspanning. Dit soort schakelingen werkt dus erg snel.
 |
| Door gebruik te maken van drie schakelaars kan de hold-condensator ook in de sample-mode opladen tot de momentele waarde van de ingangsspanning. (© 2020 Jos Verstraten) |
Bij alle besproken systemen wordt de condensator opgeladen uit een spanning via de lage uitgangsweerstand van een van de twee versterkers. Zoals u weet laadt een condensator uit een spanning op volgens een asymptotische curve. De condensatorspanning stijgt eerst snel, naarmate de condensatorspanning gelijk wordt aan de ingangsspanning neemt de spanning over de condensator minder snel toe. Eerst na ongeveer tien maal de tijdconstante van de laadkring kunt u stellen dat de spanning over de condensator met acceptabele nauwkeurigheid gelijk is aan de ingangsspanning. Als u prijs stelt op een grote nauwkeurigheid werken dergelijke systemen dus vrij traag.
In de onderstaande figuur is een geheel andere benadering getekend. De condensator wordt nu niet opgeladen uit een spanning, maar via een constante stroom. De ingangsversterker is nu geen gewone operationele versterker maar een OTA, een Operational Transconductance Amplifier.
Over dergelijke schakeling is op dit blog een uitgebreid artikel verschenen, zie Componenten: Operational Transconductance Amplifiers.
Een OTA is een spanning naar stroom omzetter. Het spanningsverschil tussen beide ingangen wordt omgezet in een uitgangsstroom, waarbij er een evenredig verband bestaat tussen de waarde van deze stroom en het spanningsverschil aan de ingang. Ook de tweede trap is anders. De hold-condensator is geschakeld in de terugkoppeling van een operationele versterker OP1. De positieve ingang ligt aan de massa, zodat de schakeling als integrator werkt. Deze integrator zet de uitgangsstroom van de OTA weer om in een spanning op de uitgang van OP1.
Bij gesloten schakelaar (sample-mode) werkt de schakeling als spanning naar stroom naar spanning omzetter. De onderdelen zijn zo gedimensioneerd dat de totale spanningsversterking gelijk is aan een. De schakeling werkt als spanningsvolger.
Wordt de schakelaar geopend (hold-mode), dan wordt de laadstroom van de condensator onderbroken. De condensator wordt dus niet meer geladen of ontladen, zodat de spanning over het onderdeel gelijk blijft aan de waarde van de ingangsspanning op het hold-moment. Omdat bovendien de negatieve ingang van OP1 op massa-potentiaal ligt (deze ingang streeft immers naar dezelfde spanning als de positieve ingang) zal er op de uitgang van de schakeling een spanning staan die precies gelijk is aan de waarde van de ingangsspanning.
Deze schakeling heeft als voordeel dat de condensator geladen wordt met een constante stroom (in de veronderstelling dat de ingangsspanning gedurende het laden constant blijft) en dat de condensator sneller tot de waarde van de ingangsspanning is opgeladen dan bij de vorige systemen waar met asymptotische lading werd gewerkt. Deze schakelingen werken dus sneller.
 |
| De hold-condensator wordt lineair opgeladen bij systemen die gebruik maken van een OTA in de ingang. (© 2020 Jos Verstraten) |
De belangrijke parameters van een S&H
Inleiding
Zoals iedere elektronische schakeling heeft ook de sample and hold zijn beperkingen en zwakke punten. Deze worden gedefinieerd door een aantal parameters, die aan de hand van de onderstaande figuur in de volgende paragraafjes worden besproken. In de bovenste grafiek is de ingangsspanning getekend. De middelste geeft de stuurspanning op de HOLD CONTROL, de onderste geeft een idee van het praktische verloop van de uitgangsspanning.
Overigens vermelden niet alle fabrikanten al de besproken parameters bij hun S&H's.
 |
| De belangrijkste parameters van een sample and hold. (© 2020 Jos Verstraten) |
Deze parameter hangt voornamelijk af van de eigenschappen van de gebruikte operationele versterkers. De bandbreedte geeft de frequentie waarbij de effectieve waarde van de uitgangsspanning met -3 dB gedaald is ten opzichte van de effectieve waarde van de ingangsspanning.
De slew rate
Een S&H bevat meestal twee operationele versterkers. Deze schakelingen hebben geen oneindig grote bandbreedte, zodat snelle pulsen aan de ingang iets vertraagd en afgevlakt op de uitgang verschijnen. Omdat dit een parameter is die voornamelijk door de eigenschappen van de operationele versterkers wordt bepaald noemt men deze parameter ook de slew rate. Deze eenheid wordt uitgedrukt in V/μs en deze geeft aan hoe snel de spanning op de uitgang per microseconde kan stijgen of dalen. Merk op dat bij de meeste systemen de slew rate ook bepaald wordt door de RC-tijd van de hold-condensator.
De aperture tijd
In principe zou de schakeling van de sample- naar hold-mode moeten omschakelen bij het verschijnen van de voorflank van de hold-puls. Nu hebben alle elektronische schakelingen een bepaalde vertraging en dus zal er een bepaalde tijd verstrijken alvorens de elektronische schakelaars in de S&H zijn omgeschakeld van sample- naar hold-mode. Deze tijd noemt men de aperture tijd, samengesteld uit de vertraging van de digitale besturingsschakeling voor de schakelaars en de vertraging van de schakelaars zelf. De aperture tijd is vrij kort, ligt in het ns bereik, maar is toch van belang als u bijvoorbeeld een sample and hold wilt gebruiken voor het vaststellen van de piekwaarde van een zeer snel signaal.
De aperture jitter
Het blijkt dat de aperture tijd niet constant is, maar afhankelijk van ingewikkelde fysische processen in de chip. Deze spreiding op de aperture tijd noemt men de aperture jitter. Deze jitter introduceert een bepaalde aperture error, een niet constante afwijking tussen de spanning op de ingang en deze op de uitgang bij het van sample naar hold omschakelen.
De transiënt tijd en amplitude
Tijdens het omschakelen van sample naar hold gebeuren er in de chip processen die tot gevolg hebben dat een deel van de hold-puls doordringt tot de hold-condensator. Bovendien stelt men vast dat er kleine uitdovende oscillaties op de condensatorspanning optreden. De maximale amplitude van deze oscillaties noemt men de transiënt amplitude, de tijdsduur van deze oscillaties de transiënt tijd.
De feedthrough
In de hold-modus zou de condensatorspanning constant moeten blijven en niet beïnvloed mogen worden door het verdere verloop van de ingangsspanning. Nu zijn elektronische schakelaars geen ideale schakelaars. Zij hebben in geopende toestand een hoge maar meetbare weerstand en bovendien staat er een kleine capaciteit over de schakelaar. Beide grootheden hebben tot gevolg dat er toch een gedeelte van het ingangssignaal doordringt tot de condensator. De constante spanning over de condensator wordt als het ware gemoduleerd met een deel van het ingangssignaal gedurende de hold mode. Dit verschijnsel noemt men de 'feedthrough' en de waarde van deze spanning UFT wordt uitgedrukt in dB volgens de formule:
feedthrough = 20 ● log [UFT / UIN]
waarbij voor beide spanningen de top-tot-top waarde wordt ingevuld.
De droop rate
In het ideale geval zou de spanning op de uitgang van de S&H in de hold-mode constant moeten blijven. Dat is natuurlijk niet zo, de spanning over de hold-condensator zal langzaam maar zeker weglekken via de isolatieweerstand van de elektronische schakelaars, de ingangsweerstand van de uitgangsbuffer en via zijn eigen lekweerstand. De snelheid waarmee de condensatorspanning daalt noemt men de droop rate en deze grootheid wordt uitgedrukt in een aantal μV/μs of voor trage S&H's in een aantal mV/ms.
De droop rate wordt in niet belangrijke mate bepaald door de eigenschappen van de gebruikte hold-condensator en van de manier waarop u de print rond de sample and hold hebt ontworpen, lees verder.
Het zal duidelijk zijn dat u de droop rate kunt verkleinen door de waarde van de hold-condensator te vergroten. Maar dit heeft weer zeer ongewenste effecten op de snelheid van de schakeling.
Acquisitie tijd
De acquisitie tijd is de belangrijkste eigenschap van een sample and hold. Deze grootheid definieert de tijd die noodzakelijk is om de condensator na het wegvallen van de hold-puls tot de nieuwe waarde van de ingangsspanning te laden of te ontladen. De waarde van deze grootheid is afhankelijk van de waarde van de hold-condensator, van het spanningsverschil dat overbrugd moet worden en van de uitgangsweerstand van de ingangsbuffer.
Om nu toch een eenduidige definitie te kunnen opstellen wordt de acquisitie tijd gedefinieerd als de tijd die nodig is om de door de fabrikant opgegeven waarde van de hold-condensator een ingangsvariatie over 10 V te laten volgen tot een bepaalde nauwkeurigheid bereikt is.
De acquisitie tijd bepaalt de snelheid van de schakeling. Het zal duidelijk zijn dat de snelheid waarmee u een analoog naar digitaal omzetter kunt laten bemonsteren in hoge mate bepaald wordt door de acquisitie tijd. Hoe sneller de condensator geladen of ontladen is tot de nieuwe waarde van de ingangsspanning na een hold, hoe sneller u een nieuwe hold-periode kunt inlassen.
De nauwkeurigheid
Het definiëren van de acquisitie tijd heeft geen zin als men er niet bij vermeldt tot hoe nauwkeurig de condensatorspanning de waarde van de ingangsspanning na het verstrijken van de opgegeven acquisitie tijd heeft benaderd. Deze nauwkeurigheid wordt opgegeven in procent en ligt tussen 0,1 % en 0,003 %.
Praktische overwegingen bij het gebruik van een S&H
Inleiding
Bij het toepassen van sample and hold IC's in schakelingen kunt u de specificaties van de schakeling op twee manieren optimaliseren, namelijk door een doordacht printontwerp en door een juiste keuze van de hold-condensator.
Het printontwerp
Sommige S&H schakelingen die gebruik maken van een externe hold-condensator voeren de aansluiting voor deze condensator uit op een pen die volledig gescheiden is van de rest van de schakeling. Vaak zijn de twee pennen naast de condensator-pen 'NC', dus intern nergens mee verbonden. Op deze manier is het mogelijk een 'print guarding' toe te passen. Wat dat praktisch betekent is geschetst in de onderstaande figuur, waar een printontwerp is getekend voor een S&H in een DIL-behuizing. Rond de aansluiting voor de hold-condensator wordt een 'koperen eilandje' gevormd (blauw weergegeven), dat verbonden wordt met de uitgang van de schakeling. Op deze manier bestaat er geen spanningsverschil tussen de koperbaan waarmee de condensator met de IC-pen wordt verbonden en de dichtstbijzijnde koperbanen.
De isolatieweerstand van het epoxy en eventuele verontreinigingen van het printoppervlak hebben dan geen invloed op de droop rate van de condensator. Zelfs als er een geleidende laag verontreiniging op de print zou ontstaan zal er geen stroom kunnen wegvloeien uit de condensator, omdat er tussen de sporen geen spanningsverschil aanwezig is.
 |
| Het aanbrengen van guarding op de print. (© 2020 Jos Verstraten) |
Wat betreft de hold-condensator bestaan er drie soorten sample and hold IC's:
- Schakelingen, meestal hybrides, waarbij deze condensator intern aanwezig is.
- Schakelingen met een kleine interne condensator, waarbij u de waarde van dit onderdeel kan verhogen door extern een condensator parallel te schakelen.
- Schakelingen waarbij u de hold-condensator extern moet aanbrengen.
Bij snelle sample and hold schakelingen, waarbij de hold-condensator vaak en kortstondig wordt geladen of ontladen, zal er naijl-effect optreden door de lading die in het diëlektricum gaat zitten. Deze lading veroorzaakt een afwijking tussen de ingangsspanning en de condensatorspanning, die de 'sample-tot-hold offset' wordt genoemd. Om deze offset te reduceren moet u voor de hold-condensator gebruik maken van polystyreen, polypropyleen of teflon exemplaren.
 |
| Equivalent schema van een condensator. (© 2020 Jos Verstraten) |
Toepassingsvoorbeelden van S&H's
Inleiding
Zoals reeds in de inleiding geschreven worden sample and hold schakelingen voornamelijk gebruikt in analoog naar digitaal omzetters. In de volgende paragrafen worden deze en enige andere toepassingen in het kort besproken.
Analoog naar digitaal omzetters
In een dergelijke schakeling heeft de S&H tot taak de spanning die op de ingang van de ADC wordt aangelegd constant te houden gedurende de omzetting in een binaire code. In de onderstaande figuur wordt een praktische schakeling van Renesas voorgesteld, opgebouwd uit een integrerende S&H (HA-5320) en een 12 bit brede ADC (HI-574A). De S&H staat tussen de signaalingang en de ingang van de ADC. Beide schakelingen worden gestuurd uit een en dezelfde puls, waarbij het voor de ADC-schakeling blijkbaar noodzakelijk is de besturingspuls te inverteren voor het starten van een omzetting. De breedte van de hold-puls moet minstens gelijk zijn aan de omzettingstijd van de ADC.
 |
| Een S&H als kortstondig analoog geheugen voor het constant houden van de ingangsspanning van een ADC gedurende de omzettingsfase. (© 2015 Renesas) |
Een belangrijk toepassingsgebied van S&H-schakelingen is het automatisch compenseren van de offset van operationele versterkers. In de meeste gevallen kunt u uiteraard de offset van een op-amp compenseren met een potentiometer. Dit is echter een eenmalige instelling die geen rekening houdt met offsetverloop onder invloed van de temperatuur. Met het schema van de onderstaande figuur wordt iedere variatie in de offset automatisch gecompenseerd.
De ingang van de op-amp wordt periodiek naar de massa geschakeld. Op dat moment zal de uitgangsspanning van de op-amp alleen worden bepaald door de waarde van de ingangsoffset. Deze spanning wordt opgeslagen in de hold-condensator van de S&H (AD583) en teruggekoppeld naar de inverterende ingang van de als verschilversterker geschakelde op-amp. Het gevolg is dat bij een volgende actieve fase van de schakeling de offset-effecten worden afgetrokken van het ingangssignaal en de uitgang volledig offset-vrij is.
 |
| 'Auto-zero' van de offset van een operationele versterker. (© Analog Devices) |
In deze toepassing, voorgesteld in de onderstaande figuur, is de bovenste helft van de OP221 een positieve piek-detector en de onderste helft een negatieve piek-detector. De werking kan als volgt worden beschreven.
Stel dat de S&H-schakelaar in de SMP04 gesloten is. Als een positief stijgende spanning wordt aangelegd op de ingang gaat D1 sperren en D2 geleiden. De hold-condensator laadt op en deze spanning wordt overgenomen door de VOUT POSITIVE. Deze uitgang wordt teruggekoppeld naar de inverterende ingang van de bovenste op-amp. Er wordt een gesloten lus gevormd met als gevolg dat de uitgangsspanning de momentele waarde van de ingang zal volgen. Dat gebeurt echter alleen als de ingangsspanning stijgt. Als deze daalt zal de spanning op de positieve ingang van de op-amp lager worden dan de spanning op de inverterende ingang met als gevolg dat de uitgang negatief wordt en de diode D2 gaat sperren. De hold-condensator wordt afgesloten van de ingang en de uitgang bewaart de vorige positieve piek in het ingangssignaal.
Op dezelfde manier kunt u aantonen dat de onderste S&H de negatieve topwaarde van het ingangssignaal opslaat.
Door een positieve puls op de RESET te zetten gaan beide MOSFET's geleiden en worden de hold-condensatoren ontladen.
 |
| Het detecteren van de piekwaarden van een analoge spanning. (© Analog Devices) |
Bij de overgang van de ene digitale ingangscode naar de volgende kunnen er op de analoge uitgangsspanning van een DAC smalle pulsen verschijnen, zogenaamde 'glitches'. Deze pulsen ontstaan als gevolg van het niet precies gelijktijdig omschakelen van alle bit-schakelaars in de DAC. Met behulp van een S&H kunt u deze ongewenste storingen op een heel eenvoudige manier uit het uitgangssignaal van de DAC verwijderen.
Het principe is geschetst in de onderstaande figuur. De S&H staat meestal in de sample-modus en volgt dus het analoog uitgangssignaal van de DAC. Alleen iets voor en iets na een conversie in de DAC wordt de S&H in de hold-modus gezet. Op deze manier dringen de glitches niet door tot de hold-condensator en verdwijnen deze storingen dus uit het uitgangssignaal.
 |
| Het verwijderen van glitches uit DAC-signalen. (© 2020 Jos Verstraten) |
Bij dubbelzijband gemoduleerde signalen worden twee laagfrequent signalen op één drager gemoduleerd. De draaggolf schakelt snel en periodiek om tussen de momentele waarde van het ene en de momentele waarde van het andere signaal.
Door middel van twee S&H schakelingen kunt u beide LF-signalen zeer eenvoudig terug winnen. Het basisschema is getekend in de onderstaande figuur. Wél noodzakelijk is een kloksignaal dat in fase loopt met het signaal waarmee beide LF-signalen op de drager zijn gezet. Deze klok stuurt beide S&H's in tegenfase. Als de ene in sample mode staat, zit de tweede in hold mode en vice versa. De hold-condensatoren worden dus opgeladen tot de topwaarde van of het ene of het andere LF-signaal. Door beide S&H-uitgangen te filteren ontstaan de twee laagfrequent signalen.
Met dit systeem is het bijvoorbeeld zeer eenvoudig mogelijk een infrarode link te ontwerpen naar een stereo hoofdtelefoon waarbij geen spoelen of condensatoren worden gebruikt en de schakeling zonder afregeling onmiddellijk werkt.
 |
| Het demoduleren van een dubbelzijband gemoduleerd signaal. (© 2020 Jos Verstraten) |
Leverbare sample and hold IC's
Inleiding
Er zijn tientallen S&H's ontwikkeld door zowat alle fabrikanten van IC's. De meeste S&H-chip's zijn, om wat voor reden dan ook, nogal prijzig. U betaalt er vele tientjes voor. Op dit moment zijn de onderstaande typen de goedkoopste die u kunt vinden en die goed leverbaar zijn:
- LF398: enkelvoudig, € 3,00
- AD781: enkelvoudig, € 15,00
- SMP04: viervoudig, € 12,00
De genoemde prijzen zijn uiteraard richtprijzen, opgezocht bij bekende leveranciers zoals Conrad, Reichelt, RS Components en Mouser.
De LF398 van Texas Instruments
Kennismaking
Dit is de goedkoopste S&H uit een reeks van drie: LF198, LF298 en LF398. De LFx98 sample-and-hold maakt gebruik van BI-FET technologie en heeft een nauwkeurigheid van typisch 0,01 % bij een acquisitie tijd van 6 µs. De ingangstrap is bipolair uitgevoerd met een lage offsetspanning en een grote bandbreedte als resultaat. De ingangsimpedantie bedraagt 10 GΩ. Het intern blokschema is voorgesteld in de onderstaande figuur.
De LOGIC ingang is de besturingsingang. Het niveau op deze pen wordt vergeleken met de spanning op de LOGIC REFERENCE. Op deze manier kunt u de LM398 vanuit diverse digitale families, zoals TTL, PMOS en CMOS, aansturen. Is de spanning op LOGIC groter dan de drempel, dan staat het IC is de track-modus.
Via de OFFSET pen kunt u de ingangsoffset compenseren. U moet deze pen verbinden met de loper van een 1 kΩ potentiometer, waarvan één uiteinde naar de positieve voeding gaat en het andere via een weerstand is verbonden met de massa. Deze weerstand moet u zo kiezen dat er een stroom van 0,6 mA door de potentiometer vloeit.
 |
| Intern blokschema van de LF398. (© 2018 Texas Instruments) |
In de onderstaande figuur zijn de drie leverbare behuizingen getekend in BOVENAANZICHT.
 |
| Aansluitgegevens van de drie behuizingen van de LF398. (© 2018 Texas Instruments) |
De voornaamste specificaties van dit IC zijn:
- Voedingsspanningen: ±5 V ~ ±18 V
- Voedingsstroom: 6,5 mA max.
- Offsetspanning: ±10 mV max.
- Offsetstroom: ±100 μA max.
- Ingangsimpedantie: 10 GΩ typisch
- Feedthrough (1 kHz): -90 dB typisch
- Nauwkeurigheidsfout: 0,01 % max.
- Uitgangsweerstand: 4 Ω max.
- Acquisitie tijd tot 0,1 % (CH = 10 nF): 20 μs max.
- Maximale laadstroom CH: 5 mA
Herwinnen van een signaal uit de ruis
In de onderstaande figuur wordt een LF398 toegepast in een schakeling die een signaal uit een grote hoeveelheid ruis kan herwinnen. In dit schema worden twee LM122 timers toegepast maar u kunt deze uiteraard, met wat schema-aanpassingen, vervangen door timers van het type 555.
 |
| Verwijderen van ruis uit een analoog signaal. (© 2018 Texas Instruments) |
Een ietwat ongebruikelijke toepassing van een S&H is geschetst in de onderstaande figuur. De pen waarop u normaal de hold-condensator aansluit wordt nu gebruikt voor het aanleggen van een tweede analoog signaal. Door het logische niveau op de LOGIC pen om te schakelen wordt of signaal A of signaal B naar de uitgang doorgekoppeld. Ingang A heeft een bandbreedte tot 1 MHz en een ingangsweerstand van 10 GΩ. Ingang B heeft een bandbreedte tot 400 kHz en een ingangsgweerstand van 47 kΩ.
 |
| Een analoge schakelaar met een LF398. (© 2018 Texas Instruments) |
De AD781 van Analog Devices
Kennismaking
Deze in DIL-8 leverbare S&H is een vrij snelle schakeling die met een acquisitie tijd van slechts 700 ns de hold-condensator oplaadt tot binnen 0,01 % van de ingangsspanning. De schakeling heeft een interne hold-condensator, hetgeen het ontwerp van de print nogal vereenvoudigt. De schakeling is volledig zelfsturend en vereist geen externe componenten, behalve dan uiteraard het sample/hold-signaal. Dank zij de uitstekende eigenschappen kunt u dit IC toepassen bij 12 of 14 bit ADC's. De technologie maakt gebruik van een BIMOS-architectuur. De drie leverbare versies hebben alleen afwijkende bedrijfstemperatuur grenzen.
 |
| Aansluitgegevens van de AD781 in bovenaanzicht. (© 1991 Analog Devices) |
De voornaamste specificaties van dit IC zijn:
- Voedingsspanningen: ±10,8 V ~ ±13,2 V
- Voedingsstroom: 7,0 mA max.
- Ingangsspanning: ±5,0 V max.
- Offsetspanning: ±4 mV max.
- Ingangsimpedantie: 50 MΩ typisch
- Ingangscapaciteit: 2 pF typisch
- Klein signaal bandbreedte: 4 MHz typisch
- Groot signaal bandbreedte: 1 MHz typisch
- Feedthrough (1 kHz): -86 dB typisch
- Nauwkeurigheidsfout: 0,01 % max.
- Uitgangsweerstand: 0,5 Ω max.
- Acquisitie tijd tot 0,01 % van 10 V: 700 ns max.
- TTL-compatibel op S/H-ingang
Toepassing bij een 12 bit brede DAC
In de onderstaande figuur is het door de fabrikant voorgeschreven schema getekend met de AD781 als S&H bij de 12 bit brede DAC van het type AD674.
 |
| De AD781 in gebruik bij een 12 bit brede DAC. (© 1991 Analog Devices) |
De SMP04 van Analog Devices
Kennismaking
Dit IC bevat vier identieke S&H's met ingebouwde hold-condensatoren. De S/H-ingangen zijn TTL- en CMOS-compatibel. U kunt de chip zowel asymmetrisch als symmetrisch voeden met voedingsspanningen tussen ±7 V en 15 V. De interne hold-condensatoren hebben een waarde van 60 pF en de inschakelweerstand bedraagt slechts 2 kΩ. U moet deze ingangen dus voeden uit een zeer laagimpedante schakelingen, zoals de uitgangen van als buffer geschakelde op-amp's.
De SMP04 is voornamelijk inzetbaar als multiplexer achter een DAC, die de digitale data van vier signalen serieel krijgt aangeboden.
 |
| Blokschema en aansluitgegevens van de SMP04. (© 1998 Analog Devices) |
De voornaamste specificaties van dit IC zijn:
- Voedingsspanningen: +15,0 V of ±7,0 V max.
- Voedingsstroom: 5,5 mA max.
- Ingangsimpedantie: 2 kΩ typisch
- Feedthrough (1 kHz): -86 dB typisch
- Nauwkeurigheidsfout: 0,01 % max.
- Acquisitie tijd tot 0,01 % van 10 V: 4,25 μs max. bij 12 V voeding
- Acquisitie tijd tot 0,01 % van -3 V naar +3 V: 11 μs max. bij ±5,0 V voeding
- TTL-en CMOS-compatibel op S/H-ingangen
De SMP04 in een gemultiplexte viervoudige DAC
In het onderstaand schema wordt één SMP04 toegepast als uitgangsdemultiplexer van een 8 bit brede DAC die vier datastromen serieel krijgt te verwerken. De S&H zorgt voor vier analoge uitgangssignalen door de momentele waarden van de uitgangsspanning van de DAC op te slaan in de vier hold-condensatoren. Uiteraard moet er synchroniciteit bestaan tussen de adres-ingangen van het systeem en de seriële datastroom die aan de DAC wordt aangeboden.
 |
| Een voorbeeldschakeling met de SMP04. (© 1998 Analog Devices) |
Original Hiland DIY M12864 LCR ESR PWM Transistor Tester Kit
