采样保持电路分析[原创www.cnblogs.com/helesheng]

上《数字电路》这门课的时候，学生问模数转换器（ADC）一章中的采样保持电路（本文图3电路）为什么要加钳位二极管VD1和VD2，我习惯性的随口回答：为了在保持阶段第一个运放的输出不会太大，也不会太小。回到办公室仔细想了一下，不禁反问自己国家半导体的经典电路LF398究竟为什么要设计这两个二极管，为什么不实用最直接的两个局部负反馈结构（如本文图1）。请教了同事、同学发现还是有很多值得分享记录的地方，现总结如下。以下原创内容欢迎网友转载，但请注明出处：https://www.cnblogs.com/helesheng

1、采样保持电路原型

示意图如1所示：运放A1、A2构成电压跟随器，两个跟随器分别用于实现“输入到采样保持电容\(C_h\)的阻抗变换”，以及“\(C_h\)到输出\(u_o\)的阻抗变换”。其中开关S是由MOS管构成的模拟开关，它导通的时候，实现\(C_h\)电压采样；关断时实现\(C_h\)电压保持。

图1 采样保持电路原型

这个电路的缺点是S处的开关MOS管关断的瞬间，其栅极G电压突变，栅极和源极之间的寄生电容\(C_{GS}\)上的电压差不能突变，从而导致\(U_{P2}\)处的保持电压被\(C_{GS}\)拉低，降低了保持精度和开关切换时间。

2、采样保持电路改进1

为了改善这个问题，将图1中A1构成的局部负反馈变为全局反馈，以通过A1的增益改善控制精度。得到图2所示的电路，其中\(R_{DS}\)是栅极寄生电容\(C_{GS}\)上的电荷完全释放完毕之前，S处于半导通状态下S的漏源之间的等效电阻。

图2 采样保持电路改进1

图2具体分析：G端突然出现下跳，拉着A2的同相输入端也变低，从而导致A2输出变小，进而导致A1反相端输入也降低，A1的输出就会拉高来补偿采样电容\(C_h\)上的电压损失误差。其中\(C_{GS}\)只在电压很低时很大，所以当关断程度大，\(R_{DS}\)大的时候作用就不大了。所以只需要A1的输出电压能够在一个小范围波动，因此只需要A1的输出在很小的范围内波动就可以补偿\(C_h\)上的电压误差。

3、采样保持电路改进2

图2所示改进电路的问题是：当S完全断开后，A1处于完全开环的比较器状态，保持阶段如果输入\(u_i\)发生变化，会导致A1饱和输出高电平或低电平。S再次闭合采样时A1要从饱和状态回复到负反馈的工作状态一般需要1us左右，这将极大的限制采样保持器的最大工作频率。因此出现了图3所示的，真正实用的采样保持电路LF398。
VD1和VD2的作用是通过钳位保证A1在保持阶段不会进入饱和状态（实际上是一种非线性负反馈状态），从而提升了采样保持器的工作速度。而VD1和VD2也限制了图2中A1输出的补偿电压摆幅，不过根据上面的分析只需要A1的输出电压能够在一个小范围波动即可实现\(C_{GS}\)造成的保持电压波动。
因此，清华阎石老师的《数字电路》教材说这两个二极管通过钳位可以提升采样保持电路的工作速度。
哈工大杨春玲老师的《数字电路》教材中说VD1和VD2的作用是为了防止A1饱和后造成S两端压差过大，从而烧毁S，我觉得是没有根据的。

图3 采样保持电路改进2(LF398)

4、含二极管的局部非线性反馈精确性分析

S闭合时，二极管VD1和VD2两端电压相等：
此时由于A1和A2的虚断，\(U_{N2}、U_{P2}、u_o以及u_o’\)相等，\(u_i以及U_{NI}\)相等。如果\(u_o’\)与二极管上端的\(U_{NI}\)相差一个Δu（<0.7V），则R1两侧就有电压差Δu，导致有电流流过R1。
这个电流即没法流入VD1和VD2，也没法流入A1的反相端，因此Δu只能为0。也就是\(u_o’等于u_i\)。
反过来描述这个过程：当\(u_o’和u_i\)有Δu这个差异时，不妨假设Δu>0，\(u_o\)将等于\(u_o’并大于u_i\)。此时由于R1上不可能有电流，R1左右两边的电压相同，将使\(U_{NI}等于u_o’并大于u_i\)，此时运放A1将调整输出到让\(u_o’\)降低（A1反相输入端大于A2）,直至达到\(u_o’等于u_i\)，Δu等于0。