Sample-and-Hold-Schaltung
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Ein Abtast-Halte-Glied bzw. eine Abtast-Halte-Schaltung bzw. Momentanwertabtastung, nach dem Englischen auch Sample-and-Hold-Schaltung (kurz: S&H) oder Track-and-Hold-Schaltung genannt, ist eine elektronische Vorrichtung zur meist kurzzeitigen Speicherung analoger Werte. Im eingeschalteten Zustand entspricht die Ausgangsspannung des Abtast-Halte-Gliedes der Eingangsspannung, während die Ausgangsspannung im ausgeschalteten Zustand mit dem Wert konstant bleibt, welcher zum Zeitpunkt des Ausschaltens am Ausgang aufgetreten ist. Die Schaltung wird meist vor einem Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt. In praktischen Analog-Digital-Umsetzern ist die Abtast-Halte-Schaltung meist eingebaut, wodurch ein niedrigerer Preis, ein geringerer Platzbedarf und eine gemeinsame Spezifikation des Bauteils gewährleistet wird.
Der Einsatz einer Abtast-Halte-Schaltung erlaubt eine korrekte Wandlung auch bei schnellen Änderungen der Eingangsspannung, die ohne Abtast-Halte-Schaltung zu falschen Wandlungsergebnissen führen würden. Nur bei sich – verglichen mit der Konversionsdauer – sehr langsam ändernden Spannungen kann gegebenenfalls auf die Abtast-Halte-Schaltung verzichtet werden.
Wichtige Kenngrößen sind die Einstellzeit bzw. die maximale Anstiegsgeschwindigkeit und der Haltedrift.
[bearbeiten] Aufbau
Das zentrale Element der Abstast-Halte-Schaltung ist ein Kondensator, der eine Speicherfunktion für die Analogwerte übernimmt. Dazu kommt ein elektronischer Schalter, welche die Abtast- und Haltephase bestimmt.
Ist die Schaltung eingeschaltet, wird der Kondensator über einen Impedanzwandler aufgeladen. Der Impedanzwandler ist erforderlich um die Spannungsquelle möglichst wenig zu belasten und damit das Messergebnis so wenig wie möglich zu verfälschen. Um den Kondensator schnell aufladen zu können, muss der Impedanzwandler zudem sehr hohe Ströme liefern können. Alternativ kann der Kondensator auch klein gewählt werden. Ein kleiner Kondensator hat jedoch den Nachteil, dass sich dieser auch schnell entlädt und dadurch die Ausgangsspannung nicht so lange auf dem benötigten Niveau gehalten werden kann. Um die Spannung am Ausgang möglichst lange erhalten zu können, wird dem Kondensator ein Spannungsfolger nachgeschaltet. Zudem muss der verwendete Schalter im ausgeschalteten Zustand einen hohen Sperrwiderstand aufweisen und die Isolation des Kondensators muss sehr gut sein, um einer Selbstentladung des Kondensators entgegenzuwirken.
Wenn der Schalter geschlossen wird, steigt die Ausgangsspannung nicht sofort auf den Wert der Eingangsspannung, sondern nur mit einer begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate). Diese wird durch den maximalen Strom des Impedanzwandlers am Eingang bestimmt. Nach dem Ansteigen der Spannung am Kondensator auf den Wert der Eingangsspannung beginnt ein Einschwingvorgang. Die Dauer des Einschwingvorgangs wird maßgeblich durch die Dämpfung des Impedanzwandlers und den Widerstand des Schalters im geschlossenen Zustand bestimmt. Die Zeit, die benötigt wird, bis die Ausgangsspannung auf den Wert der Eingangsspannung innerhalb der vorgegebenen Toleranz <math>{}_\epsilon</math> schwingt, wird als Einstellzeit <math>{}_{t_E}</math> (Acquisition Time) bezeichnet.
- <math>t_E = R_\text{Schalter} \cdot C \cdot \begin{cases}
4{,}6 & \text{mit}\ \epsilon = 0,01 \\ 6{,}9 & \text{mit}\ \epsilon = 0{,}001 \\ \end{cases}</math>
Die Zeit, die benötigt wird, um in den Halte-Zustand zu wechseln, wird Aperture-Zeit <math>{}_{t_A}</math> (Aperture Delay) bezeichnet. Die Aperture-Zeit schwankt bedingt durch den Schalter. Die Schwankungen werden als Aperture-Jitter <math>{}_{\Delta t_A}</math> bezeichnet. Zudem bleibt die Ausgangsspannung <math>{}_{U_a}</math> beim Umschalten in den Halte-Zustand nicht auf dem gespeicherten Wert, sondern macht einen Spannungssprung <math>{}_{\Delta U_a}</math> (Hold Step) und einen darauf folgenden Einschwingvorgang. Dies ist dadurch bedingt, dass beim Ausschalten eine kleine Ladung des Kondensators über die Kapazität des Schalters entladen wird.
- <math>\Delta U_a = \frac{C_\text{Schalter}}{C} \Delta U_\text{Schalter} </math>
Ein weiteres Problem ist der Durchgriff (Feedthrought). Der Durchgriff entsteht dadurch, dass die Kapazität des geöffneten Schalters mit der Speicherkapazität einen Spannungsteiler aus Kondensatoren bildet, auf den die Spannung am Eingang einwirkt.
Die wichtigste Größe im Haltezustand ist der Haltedrift (Droop). Dieser wird durch den Entladestrom <math>{}_{I_L}</math> am Kondensator bestimmt, der sich aus dem Sperrstrom des Schalters und dem Eingangsstrom des Impedanzwandlers zusammensetzt. Ein Impedanzwandler verwendet man hierbei am besten einen FET-Eingang, um den Entladestrom möglichst niedrig zu halten.
- <math>\frac{\Delta U_a}{\Delta t} = \frac{I_L}{C}</math>
Während sich bei der Einstellzeit ein kleiner Kondensator positiv auswirkt, wirkt sich ein kleiner Kondensator im Falle der Entladung über den Schalter und den Spannungsfolger am Ausgang negativ aus. Hier gilt es zur Bestimmung des idealen Werts des Kondensators genau zwischen den Vor- und Nachteilen abzuwägen und einen geeigneten Kompromiss zu erzielen.
Da bei Kondensatoren die Ladung aus den Elektroden mit der Zeit in das Dielektrikum wandert, muss man sich ein dem Kondensator parallel geschaltetes RC-Glied, bestehend aus einem hochohmigen R' (im Gigaohmbereich) und einem C' < C vorstellen. Bei einem Spannungssprung der Größe <math>{}_{\Delta U}</math> kommt es daher zu einer nachträglichen Spannungsänderung <math>{}_{\Delta U'}</math>:
- <math>\Delta U' = \Delta U\,\frac{C'}{C}</math>
Wie ausgeprägt dieser Effekt ist, hängt maßgeblich von dem verwendeten Dielektrikum ab. Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET) und keramische Dielektrika weisen hier schlechte Eigenschaften auf. Daher werden in Abtast-Halte-Schaltungen Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus Polytetrafluorethylen (Teflon, PTFE), Polystyrol (PS) oder Polypropylen (PP) verwendet.
[bearbeiten] Bausteine
| Typ | Hersteller | Kondensator Kapazität | Kondensator Aufbau | Einstell- zeit | Auflösung | Anstiegs- geschwin- digkeit | Haltedrift | Technologie |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LF398 | diverse | 10nF | extern | 20µs | 10 Bit | 0,5V/µs | 3mV/s | Bipolar-FET |
| LF398 | diverse | 1nF | extern | 4µs | 10 Bit | 5V/µs | 30mV/s | Bipolar-FET |
| AD585 | Analog Devices | 100pF | intern | 3µs | 12 Bit | 10V/µs | 0,1V/s | Bipolar |
| SHC5320 | Burr Brown | 100pF | intern | 1,5µs | 12 Bit | 45V/µs | 0,1V/s | Bipolar |
| SHM20 | Datel | 1F | intern | 1µs | 12 Bit | 45V/µs | 0,1V/s | Bipolar |
| CS3112 | Crystal | intern | 1µs | 12 Bit | 4V/µs | 1mV/s | CMOS | |
| CS31412<ref name="vier">Vierfaches Abtast-Halte-Glied</ref> | Crystal | intern | 1µs | 12 Bit | 4V/µs | 1mV/s | CMOS | |
| AD781 | Analog Devices | intern | 0,6µs | 12 Bit | 60V/µs | 10mV/s | Bipolar-MOS | |
| AD782<ref name="zwei">Zweifaches Abtast-Halte-Glied</ref> | Analog Devices | intern | 0,6s | 12 Bit | 60V/µs | 10mV/s | Bipolar-MOS | |
| AD684<ref name="vier" /> | Analog Devices | intern | 0,6s | 12 Bit | 60V/µs | 10mV/s | Bipolar-MOS | |
| HA5330 | Harris | 90pF | intern | 0,5µs | 12 Bit | 90V/µs | 10mV/s | Bipolar |
| AD783 | Analog Devices | intern | 0,2µs | 12 Bit | 50V/µs | 20mV/s | Bipolar-MOS | |
| LF6197 | National Semiconductor | 10pF | intern | 0,2s | 12 Bit | 145V/µs | 0,6V/s | Bipolar-FET |
| HA5351 | Harris | intern | 50µs | 12 Bit | 130V/µs | 100V/s | Bipolar | |
| AD9100 | Analog Devices | 22pF | intern | 16ns | 12 Bit | 850V/µs | 1kV/s | Bipolar |
| SHM12 | Datel | 15pF | intern | 15ns | 12 Bit | 350V/µs | 0,5kV/s | Bipolar |
| AD9101 | Analog Devices | intern | 7ns | 10 Bit | 1800V/µs | 5kV/s | Bipolar | |
| SHC702 | Burr Brown | intern | 0,5µs | 16 Bit | 150V/µs | 0,2V/s | Hybrid | |
| SP9760 | Sipex | intern | 0,35µs | 16 Bit | 160V/µs | 0,5V/s | Hybrid | |
| SHC803 | Burr Brown | intern | 0,25µs | 12 Bit | 160V/µs | 0,5V/s | Hybrid | |
| SHC49 | Datel | intern | 0,16µs | 12 Bit | 300V/µs | 0,5V/s | Hybrid | |
| HS9730 | Sipex | intern | 0,12µs | 12 Bit | 200V/µs | 50V/s | Hybrid | |
| SHM43 | Datel | intern | 35ns | 12 Bit | 250V/µs | 1V/s | Hybrid | |
| SHC601 | Burr Brown | intern | 12ns | 10 Bit | 350V/µs | 20V/s | Hybrid | |
| HTS0010 | Analog Devices | intern | 10ns | 8 Bit | 300V/µs | 50V/s | Hybrid |
<references />
[bearbeiten] Literatur
- Schulze, Hans-Jochen/Engel, Georg: Moderne Musikelektronik - Praxisorientierte Elektroakustik und Geräte zur elektronischen Klangerzeugung, 352 S., 1. Auflage, Berlin - Militärverlag der DDR (VEB), 1989. ISBN 3-327-00772-1
- Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496, S. 977ffen:Sample and hold
