Sample-and-Hold-Schaltung

Produktspezifikationen

Technische Details und Fertigungskontext für Sample-and-Hold-Schaltung

Technische Definition

Eine Sample-and-Hold-Schaltung ist eine Komponente in Analog-Digital-Umsetzern (ADCs) und Datenerfassungssystemen. Sie erfasst die momentane Spannung eines analogen Eingangssignals zu einem präzisen Zeitpunkt und hält diese Spannung während des Umsetzungsprozesses stabil, sodass der ADC ein konstantes Eingangssignal erhält. Die Schaltung arbeitet in zwei Phasen: In der Abtastphase schließt ein Schalter (typischerweise ein MOSFET) und verbindet das Eingangssignal mit einem Haltekondensator, der auf die Eingangsspannung auf- oder entlädt. In der Haltephase öffnet der Schalter und isoliert den Kondensator, der die abgetastete Spannung aufgrund seiner Ladungsspeicherung beibehält. Diese stabile Spannung wird dann dem Quantisierer des ADC zugeführt. Wichtige Parameter umfassen: Erfassungszeit (1-10 µs), Aperturverzögerung (10-50 ns), Aperturjitter (1-10 ps RMS), Haltekapazität (10-1000 pF), Abfallrate (0,1-10 mV/ms), Eingangs-Offsetspannung (0,1-5 mV), Verstärkungsfehler (0,01-0,1 % vom Vollausschlag), Versorgungsspannung (±5 bis ±15 V dual oder 5-30 V single), Leistungsaufnahme (10-500 mW), Betriebstemperaturbereich (-40 bis +85 °C), Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich (0 bis Vcc-1,5 V bei Single-Versorgung), Eingangsimpedanz (10^12 Ω), Ausgangsimpedanz (0,1-10 Ω), Einschwingzeit (1-20 µs), Leckstrom des Sample/Hold-Schalters (1-100 pA), Ladungsinjektion (0,1-10 pC) und Gehäusetypen (SOIC-8, DIP-8, SOT-23-5). Es gelten Normen wie IEC 60748-4, JESD22-A104 und MIL-STD-883. Diese Normen dienen als Referenz für Beschaffung und Verifizierung; die tatsächliche Konformität ist mit dem Hersteller zu bestätigen. Für jede Anwendung müssen die modellspezifischen Werte und Normen mit dem rechtlichen Hersteller oder Lieferanten verifiziert werden.

Funktionsprinzip

Die Schaltung arbeitet in zwei Phasen. In der Abtastphase schließt ein Schalter (typischerweise ein MOSFET) und verbindet das Eingangssignal mit einem Haltekondensator, der auf die Eingangsspannung auf- oder entlädt. In der Haltephase öffnet der Schalter und isoliert den Kondensator, der die abgetastete Spannung aufgrund seiner Ladungsspeicherung beibehält. Diese stabile Spannung bietet einen konstanten Eingang für den Quantisierer des ADC. Die Erfassungszeit (1-10 µs) ist die Zeit, die der Kondensator benötigt, um auf 0,1 % der Eingangsspannung aufzuladen. Die Aperturverzögerung (10-50 ns) ist die Verzögerung vom Haltebefehl bis zum Öffnen des Schalters, und der Aperturjitter (1-10 ps RMS) ist dessen Variation. Die Haltekapazität (10-1000 pF) bestimmt den Kompromiss zwischen Abfallrate und Erfassungszeit. Die Abfallrate (0,1-10 mV/ms) ist der Spannungsabfall am Kondensator aufgrund von Leckage. Die Einschwingzeit (1-20 µs) ist die Zeit, um nach dem Haltebefehl auf 0,01 % des Endwerts einzuschwingen. Die Ladungsinjektion (0,1-10 pC) tritt beim Öffnen des Schalters auf und verursacht einen Stufenfehler.

Hauptmaterialien

Halbleiter (Silizium), Kondensator (z.B. Poly-Si, Metall)

Technische Parameter

Parameter	Typischer Bereich	Hinweise & Auswahlkriterien
Erfassungszeit	1-10 µs	Zeit, die der Kondensator benötigt, um sich auf 0,1 % der Eingangsspannung aufzuladen.
Aperturverzögerung	10-50 ns	Verzögerung vom Haltebefehl bis zum Öffnen des Schalters.
Aperturjitter	1-10 ps RMS	Schwankung der Aperturverzögerung, beeinflusst den SNR bei hohen Frequenzen.
Haltekapazität	10-1000 pF	Bestimmt den Kompromiss zwischen Abfallrate und Erfassungszeit.
Abfallrate	0.1-10 mV/ms	Spannungsabfallrate am Haltekondensator aufgrund von Leckstrom.
Eingangs Offsetspannung	0.1-5 mV	Gleichspannungsoffset zwischen Eingangs- und gehaltener Spannung.
Verstärkungsfehler	0.01-0.1 % des Vollausschlags	Abweichung von der idealen Verstärkung von 1.
Versorgungsspannung	±5–±15 V	Typisch duale Versorgung; Optionen für Einzelversorgung verfügbar.
Leistungsaufnahme	10-500 mW	Hängt von Geschwindigkeit und Architektur ab.
Betriebstemperaturbereich	-40–+85 °C	Industriequalität; erweiterte Bereiche verfügbar.
Eingangsspannungsbereich	0 to Vcc-1.5 V	Für Einzelversorgung; bei dualer Versorgung typisch ±Vcc.
Ausgangsspannungsbereich	0 to Vcc-1.5 V	Muss dem ADC-Eingangsbereich entsprechen.
Eingangsimpedanz	10^12 Ω	Hochohmiger FET-Eingang.
Ausgangsimpedanz	0.1-10 Ω	Niedrige Ausgangsimpedanz zum Treiben des ADC.
Einschwingzeit	1-20 µs	Zeit zum Einschwingen auf 0,01 % des Endwerts nach dem Haltebefehl.
Leckstrom des Sample/Hold Schalters	1-100 pA	Leckstrom bei geöffnetem Schalter.
Ladungsinjektion	0.1-10 pC	Ladung, die beim Öffnen des Schalters auf den Kondensator übertragen wird, verursacht Pedestalfehler.
Gehäusetyp	SOIC-8, DIP-8, SOT-23-5	Hängt vom Lieferanten und Bauteil ab.
Temperatur	-40–+85 °C	Außerhalb dieses Fensters: Leistung verschlechtert sich; Offset- und Verstärkungsfehler nehmen zu, Abfallrate verschlechtert sich.
Eingangssignalfrequenz	DC to 10 MHz (for 1 µs acquisition)	Außerhalb dieses Fensters: Über der Bandbreite verschlechtert sich die Abtastgenauigkeit aufgrund unzureichender Einschwingzeit.
Eingangssignalamplitude	0 to Vcc-1.5 V (single supply)	Außerhalb dieses Fensters: Überschreitung des Bereichs verursacht Nichtlinearität und möglichen Schaden.
Haltezeit	1 µs to 10 ms	Außerhalb dieses Fensters: Längere Haltezeiten erhöhen den Abfallfehler über akzeptable Grenzen.

Die Bereiche sind branchenübliche Richtwerte zur Angebotsvorbereitung und keine Zusage des Lieferanten. Bestätigen Sie jeden Wert und jede Norm vor der Bestellung beim rechtlichen Hersteller.

Komponenten / BOM

Abtastschalter
Schaltet das Eingangssignal basierend auf dem Steuersignal zum/vom Haltekondensator zu/ab
Material: Halbleiter (MOSFET)
Haltekondensator
Speichert die abgetastete analoge Spannungsladung während der Haltephase
Material: Poly-Silizium oder Metall-Isolator-Metall (MIM)
Pufferverstärker
Bietet hohe Eingangsimpedanz während der Abtastung und niedrige Ausgangsimpedanz während der Haltephase, um den ADC anzusteuern
Material: Halbleiter (Operationsverstärker-Schaltung)

Anwendung und Auswahl

Eignung und Auslegungsdaten

Betriebsgrenzen

Maßtoleranz:	0,01 % bis 0,1 % typisch (abhängig von Bauteiltoleranzen)
hold time:	Mikrosekunden bis Sekunden (abhängig von Kondensatorleckage)
Betriebstemperatur:	-40°C bis +85°C (Industriequalität), -55°C bis +125°C (Militärqualität)
sampling rate:	DC bis 100 MHz (variiert je nach Modell)
voltage range:	±5 V bis ±18 V Versorgung, Eingangssignal innerhalb der Versorgungsspannungen

Montage- und Anwendungskompatibilität

Niederfrequente Sensorsignale (Temperatur, Druck)AudiosignalverarbeitungskettenAnalog-Digital-Wandler-Frontends

Nicht geeignet: Hochfrequente HF-Signale oberhalb der Schaltungsbandbreite

Auslegungsdaten

Maximale Eingangssignalfrequenz (bestimmt die erforderliche Abtastrate)
Erforderliche Haltezeitdauer (bestimmt die Kondensatorgröße)
Genauigkeits-/Einschwingzeitanforderungen (bestimmen die Bauteilpräzision)

Ergänzende technische Angaben

Technische Bewertung

Betriebsbereich

0-5 VDC Eingang, 0-100 kHz Abtastfrequenz, -40°C bis +85°C Umgebungstemperatur

Belastungs- und Ausfallgrenzen

Eingangsspannung über 6,5 VDC verursacht Operationsverstärker-Sättigung, Abtastfrequenz über 120 kHz führt zu Aperturunsicherheit >1 ns, Temperatur außerhalb -55°C oder +125°C verursacht Halbleiterübergangsdurchschlag

Dielektrischer Durchschlag im Haltekondensator (Polypropylenfolie) bei >50 V Potentialdifferenz, Ladungsleckage durch MOSFET-Schalter mit >10 pA Leckstrom, thermisches Rauschen übersteigt 0,5 µV RMS bei >100°C

Fertigungskontext

Sample-and-Hold-Schaltung wird innerhalb von Herstellung von Computern, elektronischen und optischen Erzeugnissen nach Material, Prozessfenster und Prüfanforderungen bewertet.

Risiken, Wartung und Normen

Zuverlässigkeits- und Risikoanalyse

Ausfallmodus und Ursache

Abtastungenauigkeit

Ursache: Degradation des Haltekondensators aufgrund von dielektrischer Absorption oder Leckage, was zu Spannungsabfall und ungenauer Signalerhaltung führt.

Signaldistorsion

Ursache: Nicht-ideale Schaltcharakteristiken des Analogschalters oder Multiplexers, die zu Ladungseinspritzung, Taktübersprechen oder Aperturverzögerungsfehlern führen.

Wartungsindikatoren

Driftende oder instabile Ausgangsspannung während der Haltephase, was auf Kondensator- oder Schalterdegradation hinweist.
Erhöhtes Rauschen, Störungen oder Verzerrungen im abgetasteten Ausgangssignal, was auf Komponentenausfall oder Stromversorgungsprobleme hindeutet.

Technische Hinweise

Verwenden Sie hochwertige, niedrigleckende Kondensatoren mit geringer dielektrischer Absorption (z.B. Polypropylen oder Teflon) und implementieren Sie regelmäßige Kalibrierung zur Kompensation von Drift.
Wählen Sie Analogschalter mit minimaler Ladungseinspritzung und Übersprechen, sorgen Sie für saubere und stabile Stromversorgungen und halten Sie eine ordnungsgemäße Signalkonditionierung am Eingang aufrecht.

Konformität und Fertigungsnormen

Referenznormen

IEC 61000-4-30: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Prüf- und Messverfahren - Verfahren zur Messung der NetzqualitätCE-Kennzeichnung: Konformitätsbewertung für Produkte, die im Europäischen Wirtschaftsraum verkauft werden

Fertigungsgenauigkeit

Halte-Schrittgenauigkeit: +/-0,1 % des Endwerts
Aperturzeit: +/-5 Nanosekunden

Qualitätsprüfung

Signalintegritätsanalyse mit Hochgeschwindigkeits-Oszilloskop
Temperaturdrifttest über den Betriebstemperaturbereich (-40°C bis +85°C)

Fehleranalyse

FMEA · Fehleranalyse

Ursache → Fehlermodus → Engineering-Maßnahme

Haltekondensator dielektrische Absorption (0,01 % Spannungsabfall pro ms) → Abgetastete Spannungsabnahme um 0,1 mV/ms während der Haltephase → Polypropylenfolienkondensatoren mit <0,001 % Absorptionskoeffizient, Schutzringisolation reduziert parasitäre Kapazität auf <0,1 pF

MOSFET-Schalter Ladungseinspritzung (2 pC pro Schaltvorgang) → Abgetasteter Spannungs-Offset-Fehler von ±5 mV am Ausgang → Dummy-Schalter-Kompensationstopologie, die 95 % der eingespritzten Ladung aufhebt, Bootstrap-Schaltung hält 10 V Gate-Source-Spannung konstant

Beschaffungscheckliste

Keine Kundenbewertung und keine Echtzeitdaten. Prüfen Sie diese Unterlagen vor einer Bestellung.

Technische Dokumentation

Aktuelle Zeichnungen, Revisionsstand und Spezifikationsblatt anfordern.

Fertigungsfähigkeit

Anlagen, Prozessgrenzen und nachvollziehbare Fertigungsbelege prüfen.

Prüfbarkeit

Prüfmethoden, Messmittel und rückverfolgbare Prüfberichte bestätigen.

Lieferantentransparenz

Rechtsträger, Standort, Zertifikatsumfang und direkte Kontakte prüfen.

Die Kriterien dienen als Orientierung für technische Einkaufsprüfungen. Konkrete Kunden, Länder, Bewertungsdaten oder Live-Nachfragen werden nur angezeigt, wenn entsprechende belastbare Daten vorliegen.

Hersteller von Sample-and-Hold-Schaltung

Herstellerprofile mit passender Produktionsfähigkeit in China.

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Häufige Fragen

Was ist die Hauptfunktion einer Sample-and-Hold-Schaltung?

Sie erfasst die momentane Spannung eines analogen Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt und hält sie während des Umsetzungsprozesses konstant, sodass der ADC ein stabiles Eingangssignal erhält.

Was sind die zwei Arbeitsphasen einer Sample-and-Hold-Schaltung?

Abtastphase: Schalter schließt, Kondensator lädt auf Eingangsspannung. Haltephase: Schalter öffnet, Kondensator behält Spannung bei und liefert stabiles Eingangssignal an den ADC.

Was ist die Aperturverzögerung und warum ist sie wichtig?

Die Aperturverzögerung ist die Zeit vom Haltebefehl bis zum Öffnen des Schalters (10-50 ns). Sie beeinflusst die Genauigkeit des Abtastzeitpunkts, insbesondere bei hohen Frequenzen.

Wie beeinflusst die Abfallrate die Leistung?

Die Abfallrate (0,1-10 mV/ms) ist der Spannungsabfall am Haltekondensator aufgrund von Leckage. Sie begrenzt die maximale Haltezeit, bevor die Spannung über den akzeptablen Fehler hinaus driftet.

Kann ich Hersteller direkt kontaktieren?

CNFX ist ein offenes Verzeichnis, keine Handelsplattform und kein Beschaffungsagent. Herstellerprofile und Formulare helfen bei der Vorbereitung des direkten Kontakts.

CNFX Industrial Index v2.6.11 · Herstellung von Computern, elektronischen und optischen Erzeugnissen