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.
