Sample-and-Hold-Schaltung

Eine Sample-and-Hold-Schaltung (S/H-Schaltung) ist eine Komponente in Analog-Digital-Wandlern (ADC). Sie erfasst die momentane Spannung eines kontinuierlichen analogen Signals zu einem präzisen Zeitpunkt und hält diese Spannung während des Wandlungsprozesses stabil, um Fehler durch Signaländerungen zu vermeiden. Die Schaltung arbeitet in zwei Phasen: In der Abtastphase schließt ein Schalter, sodass die Eingangsspannung einen Haltekondensator auflädt. In der Haltephase öffnet der Schalter, isoliert den Kondensator und bewahrt die abgetastete Spannung. Dadurch erhält der ADC eine konstante Eingangsspannung, was die Genauigkeit verbessert. Die S/H-Schaltung ist in Datenerfassungssystemen, Instrumentierung und Kommunikationsgeräten unverzichtbar. Sie wird typischerweise in CMOS- oder Bipolartechnologie realisiert, mit einem Polymerkondensator zur Ladungsspeicherung und einem Keramiksubstrat. Wichtige Parameter sind: Versorgungsspannung (5 V DC ±10%), Versorgungsstrom (2–10 mA), Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich (0–5 V), Erfassungszeit (1–10 µs), Aperturverzögerung (10–50 ns), Aperturjitter (1–5 ps), Abfallrate (0,1–1 mV/ms), Einschwingzeit (2–20 µs), Eingangs-Offsetspannung (±0,5 bis ±5 mV) und Verstärkungsfehler (±0,01% bis ±0,1%). Der Betriebstemperaturbereich beträgt -40 bis 85 °C, der Lagertemperaturbereich -55 bis 125 °C, und das typische Gehäuse ist SOIC-8. Diese Werte sind Referenzbereiche und müssen für das jeweilige Modell und die Anwendung bestätigt werden. Normen wie IEC 60721-3-1 und JEDEC MS-012 dienen als Referenz für Umgebung und Gehäuse, implizieren jedoch keine Zertifizierung. Konsultieren Sie immer den Hersteller für genaue Spezifikationen und Konformität.

Die S/H-Schaltung arbeitet in zwei Phasen. In der Abtastphase schließt der Steuersignal den Schalter und verbindet den Eingang mit dem Haltekondensator. Der Kondensator lädt sich auf die Eingangsspannung auf und folgt dem analogen Signal. In der Haltephase öffnet der Schalter und trennt den Eingang. Der Kondensator behält seine Ladung und hält die Spannung auf dem letzten abgetasteten Wert. Diese gehaltene Spannung wird dann dem ADC zur Wandlung zugeführt. Der Schalter ist typischerweise ein CMOS-Transistor, und der Kondensator ist ein hochwertiger Polymertyp, um Leckagen zu minimieren. Die Aperturverzögerung ist die Zeit zwischen dem Haltebefehl und dem tatsächlichen Öffnen des Schalters, und der Aperturjitter ist die Unsicherheit dieser Verzögerung. Während des Haltens kann die Spannung durch Kondensatorleckage abfallen, was durch die Abfallrate charakterisiert wird. Die Erfassungszeit ist die Zeit, die der Kondensator benötigt, um sich auf die Eingangsspannung mit einer bestimmten Genauigkeit aufzuladen. Die Einschwingzeit ist die Zeit, bis der Ausgang nach der Erfassung stabil ist. Diese Parameter bestimmen die Leistung und Eignung für bestimmte Abtastraten und Genauigkeitsanforderungen.