Устройство выборки и хранения
SAMPLING AND STORAGE DEVICE

Изобретение относится к схемотехнике, промышленной электронике, автоматике и информационно-измерительной технике. Оно может быть использовано для хранения запомненного мгновенного значения входного напряжения.
Известно устройство выборки-хранения (Авторское свидетельство СССР №1691896 Устройство выборки-хранения / Мязин И.И., Горб В.Н., Бюл. № 42, 1991), содержащие источник входного сигнала последовательно соединённые усилитель, управляемый ключ, неинвертирующий повторитель напряжения и делитель напряжения, также устройство включает в себя накопительный конденсатор, формирователь управляющего напряжения и источник питающих постоянных напряжений.
Недостаток его заключается в ошибке операции выборки. Эта ошибка определяется значением напряжения на управляемом ключе и его нестабильностью. Для уменьшения ошибки следует уменьшить значение прямого сопротивления электронного ключа (его сопротивление в проводящем электрический ток состоянии) и значение остаточного напряжения (напряжение на управляемом ключе в проводящем электрический ток состоянии). Оба последних параметра нестабильны во времени и с изменением температуры. Также изменение напряжения на накопительном конденсаторе отстает от изменения напряжения входного сигнала, что обуславливается постоянной времени цепи заряда-разряда этого конденсатора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа устройство выборки - хранения (Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985, рис. 5.9, б, стр.192), содержащее резистор, конденсатор, стабилитрон, операционный усилитель, два полевых транзистора (два управляемых ключа), источник входного напряжения, формирователь управляющих напряжений, блок двух постоянных питающих напряжений для питания операционного усилителя и дополнительный источник постоянного напряжения.
Недостаток его заключается в существенной ошибке операции выборки. Входной сигнал устройства через управляемый ключ, выполненный на полевом транзисторе, поступает на конденсатор, на котором в дальнейшем можно запомнить мгновенное напряжение входного сигнала в выбранный момент времени. Но значение этого напряжения на конденсаторе меньше по абсолютной величине, чем значение напряжения входного сигнала, что предопределяет ошибку операции выборки. Приведённая ошибка определяется значением падения напряжения на управляемом ключе (на полевом транзисторе). Для уменьшения ошибки следует уменьшить значение прямого сопротивления управляемого ключа и значение остаточного напряжения. Известно, что для уменьшения прямого сопротивления управляемого ключа на полевом транзисторе следует обеспечивать повышенное значение напряжения на затворе транзистора, что обеспечивается дополнительным источником со сравнительно большим значением напряжения. Также можно обратить внимание, что изменение напряжения на конденсаторе, на котором может запоминаться напряжение (запоминающий конденсатор), отстает от изменения напряжения на выходе источника входного напряжения. Это запаздывание обуславливается постоянной времени цепи заряда - разряда конденсатора
(1)
где - выходное сопротивление источника входного напряжения, - прямое сопротивление управляемого ключа на полевом транзисторе и С - электрическая ёмкость конденсатора, на котором запоминается напряжение.
Дополнительная ошибка операции выборки возникает от нестабильности значения прямого сопротивления управляемого ключа и его остаточного напряжения. Они изменяются с течением времени от старения и особенно сильно с изменением температуры.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в уменьшении ошибки операции выборки за счёт уменьшения запаздывания изменения напряжения на запоминающем конденсаторе от изменения напряжения на выходе источника входного напряжения, за счёт уменьшения значений прямого сопротивления и остаточного напряжения управляемого ключа, связанного с конденсатором, на котором запоминается напряжение входного сигнала, и за счёт нестабильности значений этих двух параметров.
Это достигается тем, что в устройство выборки и хранения, содержащее источник входного сигнала, общая шина которого заземлена, операционный усилитель, к неинвертирующему входу которого подключен конденсатор, свободный вывод которого заземлен, инвертирующий вход соединён с выходом операционного усилителя и этот выход образует выход устройства выборки и хранения, вывод для подключения положительного постоянного питающего напряжения операционного усилителя подключен к первому выходу источника двух постоянных питающих напряжений, второй выход последнего соединён с выводом для подключения отрицательного постоянного питающего напряжения операционного усилителя, общая шина источника двух постоянных питающих напряжений заземлена, также устройство выборки и хранения включает в себя формирователь двух управляющих напряжений, общая шина которого заземлена, а на вход подаётся сигнал управления относительно «земли» и два управляемых электронных ключа, введены дополнительный операционный усилитель и изменено включение элементов, неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с выходом источника входного сигнала, инвертирующий вход его подключен к выходу и их общий вывод соединён с общим выводом конденсатора и неинвертирующего входа имеющегося операционного усилителя, первый имеющийся управляемый электронный ключ включен между первым выходом источника двух постоянных питающих напряжений  и выводом для подключения положительного постоянного питающего напряжения дополнительного операционного усилителя, управляющий вход этого ключа соединён с первым выходом формирователя двух управляющих напряжений, второй имеющийся управляемый ключ включен между вторым выходом источника двух постоянных питающих напряжений и выводом для подключения отрицательного постоянного напряжения дополнительного операционного усилителя, управляющий вход этого ключа соединён со вторым выходом формирователя двух управляющих напряжений. Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
Устройство выборки и хранения включает в себя источник 1 входного сигнала, общая шина которого заземлена, а выход соединён с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 2. Инвертирующий вход этого усилителя соединён с его выходом и с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 3. Инвертирующий вход последнего усилителя соединён с его выходом и их общий вывод образует выход устройства выборки и хранения. Конденсатор 4 включен между «землей» и общим выводом неинвертирующего входа операционного усилителя 3, инвертирующего входа и выхода операционного усилителя 2. Управляемый электронный ключ 5 включен между выводом операционного усилителя 2 для подключения положительного питающего постоянного напряжения и первым выходом источника 6 двух постоянных питающих напряжений. Общая шина последнего заземлена. Управляемый электронный ключ 7 включен между выводом операционного усилителя 2 для подключения отрицательного питающего постоянного напряжения и вторым выходом источника 6 двух постоянных питающих напряжений. Вывод операционного усилителя 3 для подключения положительного питающего постоянного напряжения соединён с первым выходом источника 6. Второй выход этого источника соединён с выводом операционного усилителя 3 для подключения отрицательного питающего постоянного напряжения. Управляющий вход управляемого ключа 5 соединён с первым выходом формирователя 8 двух управляющих напряжений. Общая шина последнего заземлена. Управляющий вход управляемого ключа 7 соединён со вторым выходом формирователя 8. На вход последнего формирователя подаётся сигнал управления  относительно «земли».
Устройство выборки и хранения работает следующим образом. При отсутствии сигнала управления  с выходов формирователя 8 на входы управляемых ключей 5 и 7 подаются управляющие напряжения, которые поддерживают эти ключи в проводящем электрический ток состоянии. Через них на операционный усилитель 2 подаются постоянные питающие напряжения с источника 6 двух постоянных питающих напряжений. В этом состоянии схема, собранная на операционном усилителе 2 является неинвертирующим повторителем напряжения. Такая схема повторяет напряжение источника 1 входного сигнала, это напряжение выделяется на конденсаторе 4, на выходе неинвертирующего повторителя напряжения, собранного на операционном усилителе 3, и соответственно на выходе устройства выборки и хранения.
При поступлении сигнала управления  с выходов формирователя 8 на входы управляемых ключей 5 и 7 подаются управляющие напряжения, которые поддерживают эти ключи в непроводящем электрический ток состоянии. В результате на операционный усилитель 2 не подаются питающие напряжения, и он находится в неработающем состоянии. Тогда на конденсаторе 4 имеется напряжение, которое было на нём в последнее мгновение перед поступлением сигнала управления (запомненное мгновенное напряжение). Это напряжение имеется на выходе неинвертирующего повторителя напряжения на операционном усилителе 3 и на выходе устройства выборки и хранения. Напряжение на конденсаторе 4 за требующееся короткое время несущественно уменьшается по абсолютной величине за счёт электрического тока через большие значения сопротивлений диэлектрика самого конденсатора, входного сопротивление повторителя на операционном усилителе 3, сопротивление операционного усилителя 2 в неработающем состоянии и обратные сопротивления ключей 5 и 7 (сопротивление ключей в непроводящем электрический ток состоянии). В прототипе конденсатор, аналогичный конденсатору 4, тоже несущественно разряжается через большие значения сопротивлений диэлектрика конденсатора, входного сопротивления повторителя на операционном усилителе и обратного сопротивления управляемого ключа на полевом транзисторе.
После завершения сигнала управления с выходов формирователя 8 снова на входы управляемых ключей 5 и 7 подаются управляющие напряжения, поддерживающие эти ключи в проводящем состоянии, и все процессы повторяются в приведённой выше последовательности.
Время заряда - разряда конденсатора зависит от постоянной времени  цепи заряда - разряда. В технике на практике нередко длительность времени заряда - разряда  конденсатора определяют, как три - пять постоянных времени
(2)
Постоянная времени заряда - разряда конденсатора 4 (С) на фиг. 1 определяется выражением
(3)
где выходное сопротивление неинвертирующего повторителя напряжения на операционном усилителе 2 определяется известным выражением для усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению
(4)
- выходное сопротивление операционного усилителя 2, K - его коэффициент усиления и  - коэффициент передачи в цепи обратной связи, который для повторителя равен . В частности, для операционного усилителя К140УД8А выходное сопротивление Ом и коэффициент усиления K=50000 (Булычев А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы. - Минск: Беларусь, 1994, табл. на стр. 74). С учётом этих значений выходное сопротивление инвертирующего повторителя напряжения в соответствии с (4)Ом и постоянная времени цепи заряда - разряда запоминающего конденсатора в соответствии с (3)
(5)
Для прототипа, в частности, с использованием полевого транзистора КП301Б прямое сопротивление Ом при напряжении на затворе в районе 20 В (Горюнов Н.Н., Клейман А.Ю, Комков Н.Н. и др. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам - М.: Энергия, 1972, верхний ряд графиков на с. 377) в соответствии с (1) постоянная времени заряда - разряда запоминающего конденсатора
(6)
Из сопоставления выражений (1) и (5) с учётом равенства значений ёмкости запоминающихся конденсаторов в рассматриваемой схеме и в прототипе видно, что
(7)
даже при весьма малом значении  и соответственно время запаздывания изменения напряжения на запоминающем конденсаторе в приведённой схеме (фиг.1) относительно изменения напряжения источника входного напряжения существенно меньше такого же времени запаздывания в прототипе.
В прототипе прямое сопротивление управляемого ключа  Ом при использовании полевого транзистора КП301Б, как это уже было приведено выше. При силе электрического тока через запоминающий конденсатор и через полевой транзистор I=10÷50 мкА напряжение на управляемом ключе ( - остаточное напряжение) определяется выражением
(8)
и лежит в пределах значений 2 мВ ÷ 10 мВ.
В рассмотренной схеме (фиг. 1) остаточное напряжение определяется разностью , где  - напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 2 и  - напряжение на его выходе. С учётом коэффициента передачи неинвертирующего повторителя напряжения на операционном усилителе 2 остаточное напряжение равно
(9)
В частном случае при напряжении  В и использовании K140УД8А остаточное напряжение лежит в диапазоне значений 0,02÷0,1 мВ. Реально непосредственно электрический ток с неинвертирующего входа операционного усилителя 2 на его выход не проходит. Поэтому для оценки условно прямое сопротивление в данном случае можно определить, как
(10)
где  - сила электрического тока через запоминающий конденсатор. При значении последней (10÷50) мкА и  В условное прямое сопротивление находится в диапазоне значений (0,4÷2) Ом, а при В соответственно (2÷10) Ом. Малые значения остаточного напряжения и условно прямого сопротивления рассмотренной схемы предопределяют малые значения диапазона нестабильности названных параметров.
Частные численные примеры оценочно подтверждают, что значения остаточного напряжения и прямого сопротивления приведённой схемы (фиг. 1) существенно меньше значений этих параметров для прототипа. Это позволяет уменьшить ошибку операции выборки устройства выборки и хранения.