Układ Sample/Hold na bazie wzmacniacza operacyjnego

Od kilkudziesięciu lat po dziś dzień liczne urządzenia elektroniczne łączą w swojej konstrukcji elementy techniki analogowej i cyfrowej. Dotyczy to przede wszystkim takich aplikacji, w których zachodzi proces zamiany rzeczywistych wielkości fizycznych (których wartość zmienia się w dziedzinie czasu w sposób ciągły) na reprezentację cyfrową. Jednym z komponentów, które uczestniczą w tym procesie, jest układ próbkująco-pamiętający (ang. Sample & Hold). Taki układ można zrealizować na wzmacniaczu operacyjnym LM741 i tranzystorze MOSFET BS170.

Czym jest układ próbkująco-pamiętający?           

Układ próbkująco-pamiętający jest elektronicznym układem analogowym, którego zadaniem jest pomiar wartości napięcia wejściowego, które zmienia się w sposób ciągły w dziedzinie czasu i zapamiętanie zmierzonej wartości napięcia w krótkim okresie. Układ próbkująco-pamiętający to jeden z najważniejszych bloków funkcyjnych w przetwornikach analogowo-cyfrowych i jest on umieszczony tuż za filtrem antyaliasingowym.

Zasada działania układu próbkująco-pamiętającego

Na rys. 1.2 przedstawiono uproszczony schemat układu próbkująco-pamiętającego. Taki układ wykorzystuje dwa wzmacniacze operacyjne, które są pomiędzy sobą połączone przez przełącznik (najczęściej jest to klucz tranzystorowy), który jest sterowany powtarzalnym sygnałem okresowym. Kiedy przełącznik SW_S jest zamknięty, następuje ładowanie kondensatora pamiętającego C_H napięciem pochodzącym z wyjścia wzmacniacza wejściowego, który pełni rolę wtórnika zapobiegającego obciążaniu źródła sygnały wejściowego. Natomiast kiedy przełącznik zostaje otwarty, kondensator przestaje być ładowany i podtrzymuje napięcie o wartości zgromadzonej podczas cyklu próbkowania, które jest przekazywane do wzmacniacza wyjściowego.

Przykładowa realizacja układu próbkująco-pamiętającego

Na rys. 1.2 przedstawiono schemat przykładowej realizacji sprzętowego układu próbkująco-pamiętającego. Głównymi elementami tego układu są:

• pojedynczy wzmacniacz operacyjny LM741
• tranzystor N-MOSFET BS170
• kondensator pamiętający 100nF (zalecany kondensator poliestrowy MKT)

Zasada działania układu Sample/Hold z rys. 1.2 jest następująca. Sygnał wejściowy jest wprowadzany na dren tranzystora T1. Na bramkę tego tranzystora, jest podawany przebieg sterujący o kształcie prostokątnym, stałej amplitudzie i stałej częstotliwości. Kiedy na bramce tranzystora T1 jest stan niski, kanał dren-źródło nie przewodzi. Zmiana stanu z wysokiego na niski, powoduje włączenie tranzystora T1 i przesłanie sygnału napięcia wejściowego z wejścia V_IN. Rozpoczyna się ładowanie kondensatora C1. Kiedy na bramce tranzystora T1 pojawia się znowu stan niski, tranzystor zostaje wyłączony. Wówczas kondensator przechowuje zgromadzony ładunek, a jego rozładowywanie jest utrudnione, ponieważ jest on połączony poprzez rezystor R3 z wejściem nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego LM741 (wejścia wzmacniacza mają bardzo wysoką impedancję wejściową i pobierają pomijalnie mały prąd). Jest to faza pamiętania. Wzmacniacz operacyjny LM741 jest połączony tutaj jako symetrycznie zasilany wtórnik napięciowy, który powtarza na wyjściu wartość napięcia wprowadzoną na wejście odwracające w czasie rzeczywistym. Przebieg czasowy na wyjściu układu V_OUT jest uzależniony od częstotliwości próbkowania (częstotliwości przebiegu napięcia sterującego podawanego na bramkę tranzystora T1). Im wyższa częstotliwość próbkowania, tym bardziej wierne odwzorowanie przebiegu. Na wierność odwzorowania przebiegu na wyjściu ma wpływ także jakość kondensatora pamiętającego – musi to być kondensator o jak najniższej zastępczej rezystancji szeregowej (ESR) oraz spełnienie warunku, aby wartości napięć sygnału wejściowego, zawierały się w zakresie napięć zasilania wzmacniacza operacyjnego LM741. Wzmacniacz operacyjny LM741 i tranzystor MOSFET BS170 dostępne są w ofercie sklepu Botland.

Zastosowania układu próbkująco-pamiętającego

Układ próbkująco-pamiętający znajduje szerokie zastosowanie w licznych aplikacjach elektronicznych. Do najbardziej popularnych należą elektroniczne przyrządy do pomiaru wielkości elektrycznych jak i nieelektrycznych, np. multimetry cyfrowe, oscyloskopy cyfrowe, czujniki wilgotności gleby, czy też czujniki światła. Stosuje się je także w układach cyfrowej automatyki zabezpieczeniowej, a także w elektronicznych instrumentach muzycznych – układ próbkująco-pamiętający został wykorzystany do modulacji częstotliwości odcięcia filtra sterowanego napięciem m.in. w utworach “The Camera Eye” grupy Rush oraz “Karn Evil 1st Impression part 2” grupy Emerson Lake & Palmer. Sygnał modulujący wprowadzany na wejście układu Sample/Hold, ma tutaj postać szumu białego próbkowanego z częstotliwością rzędu zaledwie kilku herców.

Materiał zewnętrzny