INDICE 1. PRINCIPI OPERATIVI DI UN SAMPLE AND HOLD (SHA) AMPLIFER IDEALE... 2

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1 Amplificatori Sample and Hold (Appunti forniti dal prof. Pasquale Daponte) INDICE 1. PRINCIPI OPERATIVI DI UN SAMPLE AND HOLD (SHA) AMPLIFER IDEALE PRINCIPALI PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE PRESTAZIONI DI UN SHA REALE Modo track Transizione track a hold Modo hold Transizione hold-to-sample Modo sample ALCUNE STRUTTURE CIRCUITALI CHE PERMETTONO DI REALIZZARE UN SHA Configurazione in cascata Configurazione in retroazione SHA con integratore TRANSIZIONE SAMPLE HOLD (S H) APPLICAZIONI SHA SELETTIVI E USATI

2 AMPLIFICATORI SAMPLE AND HOLD 1. Principi operativi di un Sample and Hold (SHA) Amplifer ideale Per eseguire correttamente una conversione analogica/numerica (A/D) la tensione all ingresso (V x ) del convertitore analogico/numerico (ADC) deve rimanere costante per tutta la durata T ADC della conversione stessa. Affinché si verifichi ciò è necessario : F max << 1/ T ADC (1.1) con F max corrispondente alla massima frequenza presente nel segnale analogico da acquisire. In tal caso il segnale può essere ritenuto con buona approssimazione costante durante l intera durata della conversione. Se la 1.1 non è soddisfatta si deve impiegare un circuito che campioni la V x in istanti di tempo prefissati e mantenga il valore campionato per tutto il tempo necessario affinché l ADC posto a valle di esso esegua la conversione. Tale circuito prende il nome di amplificatore Sample and Hold (SHA), letteralmente campionatore a tratti. Il corrispondente schema a blocchi è illustrato in Fig.1a. Un SHA ideale presenta due modi di funzionamento: il modo sample (livello logico 1) e il modo hold (livello logico 0). Applicando dall esterno un segnale binario all ingresso di controllo si può comandare la transizione da un modo di funzionamento all altro. In Fig. 1b sono riportati il segnale di ingresso (V x ) e quello di uscita (V y ) di un SHA ideale. Nella fig. 1c è invece riportato il corrispondente ingresso di controllo (V C ). Durante il modo sample la tensione di uscita V y riproduce esattamente quella di ingresso V x, di solito con guadagno unitario. Nel modo hold, invece, l uscita mantiene il valore che aveva all istante in cui è avvenuta la transizione dal modo sample a quello hold ; questo valore è mantenuto finché non viene dato un successivo comando di sample. È durante l intervallo di hold che l ADC posto in cascata al SHA esegue la conversione. 2

3 Fig. 1. Schema di principio di un SHA (a); confronto tra i segnali applicati all ingresso e all uscita in un SHA ideale (b) ; andamento temporale del corrispondente segnale binario di controllo (c). Più precisamente il circuito campionatore viene detto sample-and-hold se è costruito in modo tale che l intervallo di sample sia una piccola frazione di quello di hold; quando si verifica la condizione opposta, invece, il circuito prende il nome di track-and-hold (THA). Spesso, comunque, viene utilizzato il nome generico di SHA per indicare entrambi questi circuiti. Le due diverse modalità di funzionamento sono poste in evidenza in Fig.2. Fig.2. Modalità di funzionamento di un track-and-hold e un sample-and-hold. 3

4 I componenti fondamentali di un SHA sono schematizzati in Fig.3. Da un punto di vista di principio, infatti, un SHA è costituito da un interruttore comandato e da un condensatore, il quale memorizza il valore assunto dal segnale di ingresso all istante in cui l interruttore I viene aperto (istante di campionamento). La capacità C h svolge quindi la funzione di memoria temporanea (hold) della tensione da convertire. In un track-and-hold l interruttore I è normalmente chiuso, mentre in un sample-andhold è chiuso solamente durante il breve intervallo di tempo necessario ad acquisire il segnale di ingresso. Fig. 3. Componenti fondamentali di un SHA. 4

5 2. Principali parametri che caratterizzano le prestazioni di un SHA reale Tutti i dispositivi SHA hanno quattro componenti principali: l amplificatore di ingresso, il dispositivo a immagazzinamento di energia (condensatore per la fase hold), il buffer di uscita, i circuiti di interruzione (switch) (Fig. 4). Fig.4. Struttura di base di un amplificatore sample-and-hold. Il dispositivo a immagazzinamento di energia (il cuore di un SHA) è quasi sempre un condensatore. L amplificatore di ingresso memorizza l ingresso presentando una elevata impedenza alla sorgente di segnale e fornendo un guadagno di corrente per caricare il condensatore di hold.. Nel modo track, il condensatore di hold di solito determina la risposta in frequenza del dispositivo; nel modo hold il condensatore conserva la tensione esistente prima che sia disconnesso dal buffer di ingresso. Il buffer di uscita offre un elevata impedenza al condensatore di hold per conservare la tensione determinata dalla scarica prematuramente. Il circuito di interruzione e il suo driver costituiscono il meccanismo attraverso cui il condensatore di hold è alternativamente posto dalla fase di sample alla fase di hold. Il termine sample and hold implica che il dispositivo campioni l ingresso per un breve periodo e stia in modo hold per la durata del ciclo di lavoro. Un track and hold trascorre la maggior parte del tempo seguendo l ingresso ed è posto in modo hold solo per un breve intervallo. 5

6 Nei sistemi di acquisizione dati che operano a velocità elevate(superiori a 1MHz) i termini sample and hold e track and hold perdono la loro distinzione. Per descrivere metrologicamente il comportamento di un SHA reale è necessario fornire le caratteristiche statiche e dinamiche per ciascuno dei due modi di funzionamento e per le transizioni da un modo all altro. Saranno ora presi in esame i principali parametri che consentono tale descrizione. 2.1 Modo track Poiché in questo caso il SHA è semplicemente un amplificatore ad ampiezza di banda limitata che può o non può fornire guadagno, le sue caratteristiche sono le stesse di un amplificatore analogico. Si ricorda che un SHA può essere rappresentato con un amplificatore operazionale con un condensatore e un interruttore. Le principali specifiche usate per descrivere l operazione in modo sample sono: Offset: per segnale di ingresso nullo, esso rappresenta l estensione di cui l uscita devia dallo zero, nel tempo ed al variare della temperatura; Non linearità: la quantità di cui il grafico dell uscita in funzione dell ingresso devia dalla linea retta ottimale. Di solito è specificato come percentuale del fondo scala del SHA; Tempo di assestamento: il tempo richiesto affinché l uscita si assesti al suo valore finale entro la banda di errore ossia entro una frazione fissata del fondo scala quando è applicato un gradino analogico in ingresso (da 0 a ±FS, -FS a +FS, o da +FS a FS); Guadagno: il fattore di moltiplicazione rappresentante la funzione di trasferimento ingresso/uscita in continua; Ampiezza di banda: descrive la risposta in frequenza in termini di attenuazione dell uscita, di solito è caratterizzato dal valore a 3dB; Velocità di deviazione: la massima velocità di cambiamento della tensione di uscita quando è applicato un gradino analogico sia come gradino iniziale che come una transizione hold a sample; 6

7 2.2 Transizione track a hold I principali parametri forniti per descrivere le prestazioni del SHA durante questa fase di transizione sono: Tempo di apertura: rappresenta l intervallo di tempo tra l istante in cui viene fornito all ingresso di controllo il comando di hold e l istante in cui avviene l effettiva apertura dell interruttore, come illustrato in Fig. 5. Figura 5. Specifiche durante la fase di transizione S H In realtà, per circuiti aventi la stessa sigla commerciale, il tempo di apertura varia al variare dello specifico dispositivo considerato. Per un dato dispositivo, inoltre, esso varia da un operazione di campionamento all altra: quest ultima fluttuazione aleatoria dell istante di campionamento prende il nome di Jitter di apertura T j (aperture Jitter). L effettivo tempo di apertura T ap è dato pertanto dalla somma del ritardo normale di apertura T ap e dell incertezza T ap sull effettivo istante di apertura dell interruttore, dovuta sia allo specifico componente, sia al Jitter temporale. Si ha cioè: T ap = T ap + T ap Il ritardo T ap tra l effettivo istante di campionamento e l istante di comando può quindi essere in parte compensato anticipando il segnale di comando dal valore nominale T ap, rispetto all istante in cui si desidera campionare il segnale. Nelle applicazioni in cui non interessa la relazione temporale tra il segnale di ingresso e gli istanti di campionamento, ma solamente la costanza dell intervallo di tempo tra questi ultimi, il ritardo nominale 7

8 T p e la componente dell incertezza di apertura dovuta allo specifico componente, essendo costanti, perdono interesse. Ciò accade quando si desidera stimare l autocorrelazione o lo spettro (di ampiezza) di un segnale. Esempio: Supposto che il segnale da campionare presenti una variazione massima pari a 1 V/µs, e che il SHA abbia una incertezza di apertura inferiore a ±10 ns, l incertezza sul valore campionato è inferiore a ±1 V/µs 10 ns = 10 mv. Se il valore della tensione di fondo scala è pari 5 V, l accuratezza del SHA è pertanto superiore allo 0.2%. Offset da sample a hold (Pedestal): c è un errore di gradino che fa si che il valore ottenuto sia differente dall ultimo valore nel campione ; esso è causato dalla carica scaricata sul condensatore hold attraverso una capacità di dispersione dal circuito switch- control. L obiettivo del progetto è gestire l errore dovuto ad un switch non ideale indipendente dal livello del segnale di ingresso; la misura di cui devia da una costante in tutto il range del segnale di ingresso può risultare in non linearità nell uscita rispetto al segnale di ingresso. La porzione costante d offset dell errore chiamata trasferimento di carica (passo d offset) può essere compensata accoppiando un segnale di fase opposta sul condensatore hold attraverso un circuito switching ausiliare e un condensatore di compensazione. Così il sample to hold (Pedestal), dipendono dalla configurazione del dispositivo reale. Per SHA aventi condensatori hold interni fissi esso include il gradino residuo incorretto e la nonlinearità offset. Per i circuiti SHA integrati, richiedenti condensatori esterni, il pedestal è l errore di gradino residuo dopo che è stato influenzato il trasferimento di carica per essere cancellato..in un dispositivo in cui il condensatore può essere scelto dall utente questi effetti possono essere ridotti aumentando in proporzione la capacità. Tutto ciò, però, si ottiene al prezzo dell aumento del tempo di acquisizione. 8

9 Tempo di assestamento (setting time Ts), ossia il tempo richiesto, dall istante di apertura dell interruttore, affinché l uscita raggiunga il valore finale entro una frazione specifica del fondo scala; Ritardo di apertura (o più precisamente Tempo effettivo di ritardo dell apertura ): questa caratteristica è importante perché aiuta l utente SHA a sapere quando bloccare il dispositivo rispetto alla sincronizzazione del segnale di ingresso. La Fig. 6 mostra la sequenza di ciò che accade quando il comando hold è applicato con un segnale di ingresso di pendenza arbitraria (per semplicità l errore di offset SHA ed il transitorio di apertura dell interruttore sono stati ignorati). Il valore che infine si ottiene è una versione ritardata del segnale di ingresso, mediata sul tempo di apertura dell interruttore. L effettivo tempo di ritardo di apertura è definito come l intervallo tra il fronte di salita del comando di hold e l istante in cui il segnale di input è uguale al valore calcolato. Questa caratteristica è più utile del tempo di apertura stesso, perché include gli effetti del ritardo di propagazione digitale e analogico, così come il tempo di apertura. Fig. 6. Errori introdotti dal SHA in fase di apertura La formula in Fig. 6 è basata sull ipotesi che il valore di tensione ai capi del condensatore di hold è approssimativamente uguale al valore medio del segnale applicato ai capi dello switch nell intervallo durante il quale lo switch cambia da una bassa ad un alta impedenza (tempo di apertura); 9

10 Jitter (incertezza di apertura): è il risultato del rumore che modula la fase del comando hold. Il Jitter si manifesta come variazione campione-campione nel valore del segnale analogico che è stato congelato. In un SHA è la variazione del tempo nell apertura dell interruttore di campionamento. Inoltre è la variazione nel tempo di ritardo di apertura da campione a campione. L incertezza d apertura si manifesta con un errore di apertura come mostrato in Fig.7. L ampiezza dell errore è correlata alla velocità di cambio dell ingresso analogico. Per ogni assegnato valore dell incertezza di apertura, l errore di apertura aumenterà come l ingresso aumenta la derivata del segnale in ingresso al SHA; Switching Transient: come mostrato in Fig.7 la maggior parte delle caratteristiche di un SHA include l ampiezza massima e la durata del transitorio che appare all uscita come risultato della transizione sample-to-hold. Un transitorio simile appare anche durante la transizione hold-to-sample, ma è di solito non rilevante, a causa dell effetto dominante del tempo di acquisizione. Switch Delay Time (tempo di ritardo dello switch): l intervallo tra i fronti del comando hold e l inizio del cambiamento dello stato all uscita analogica del SHA. Questo ritardo come mostrato in Fig.7 avviene per entrambe le transizioni sample-tohold e hold-to-sample. Fig.7. Incertezza nell istante di apertura. 10

11 2.3 Modo hold Durante il modo hold la tensione di uscita dovrebbe essere costante. Lo scostamento da tale situazione ideale è dovuto essenzialmente a due fenomeni: il feedthrough e il droop, entrambi evidenziati in fig. 8. Fig 8 Feedthrough e droop durante il modo hold Droop (abbassamento) La rapidità di variazione (droop rate DR) della tensione di uscita è legata al fatto che il condensatore di hold non è chiuso su una resistenza infinita e, quindi, si scarica, sia pure lentamente. Tale resistenza è dovuta alle correnti di dispersione attraverso l interruttore a FET e alla corrente di bias dell amplificatore di uscita. La polarità del droop dipende dal verso delle correnti di dispersione; comunque, se il SHA è ben progettato, ha influenza rilevante solamente la corrente attraverso l interruttore. Poiché per una data corrente di dispersione Id attraverso il condensatore si ha un droop rate pari a: dvy/dt = I d / C h ne consegue che la variazione della tensione in uscita dal SHA può essere ridotta adottando elevati valori di capacità: un elevato valore di C h limita però la velocità di carica del condensatore durante il modo sample. In pratica, pertanto, il valore di C h è fissato dal costruttore in modo da ottimizzare le prestazioni del SHA in date condizioni di funzionamento. In alcuni SHA, comunque, il costruttore lascia all utilizzatore la libertà di scegliere il valore più opportuno della capacità; in questi casi, nelle specifiche 11

12 il droop rate è definito mediante la corrente di dispersione Id anziché mediante il valore di dv y /dt. Ad esempio si supponga che il SHA in esame abbia una corrente di dispersione pari a 10 pa a 20 C; se si desidera ottenere un droop rate massimo di 5 mv/s, si deve scegliere C h =[I d /(dv y /dt)] 2nF Feedthrough: Il feedthrough (FT) è la frazione del segnale di ingresso che appare in uscita quando l interruttore è aperto. Esso è dovuto essenzialmente alla capacità parassita che esiste tra i due terminali dell interruttore aperto, di solito realizzato con transistor a effetto di campo (FET) aventi il gate collegato all ingresso di controllo. Vengono spesso forniti valori di relazione di feedthrough a varie frequenze; questi valori sono ottenuti applicando all ingresso un onda sinusoidale a una data frequenza e di ampiezza pari al fondo scala. Si possono ad esempio avere relazioni pari a 90db a basse frequenze e a 60dB ad alte frequenze (MHz). Assorbimento dielettrico: la tendenza delle cariche entro un condensatore a ridistribuirsi in un periodo di tempo, risultante in un salto ( creep ) ad un nuovo livello quando è permesso riposarsi dopo cambiamenti larghi e veloci.. 12

13 2.4 Transizione hold-to-sample Per descrivere le prestazione del SHA durante questa fase di transizione viene utilizzato un unico parametro: - il tempo di acquisizione T acq è definito come l intervallo di tempo tra l istante in cui l ingresso di controllo passa da Hold a Sample e l istante in cui l uscita raggiunge una frazione specifica del segnale di ingresso (Fig. 9); il caso peggiore si manifesta quando il segnale di ingresso consiste in un gradino di ampiezza pari al fondo scala. Fig. 9 Tempo di acquisizione. Il tempo di acquisizione rappresenta pertanto un limite inferiore al tempo in cui il segnale di ingresso deve essere applicato al SHA affinché il valore ottenuto in uscita abbia una prefissata accuratezza. Esso è dovuto essenzialmente a tre cause: - il ritardo nella chiusura dell interruttore (T i ); - il ritardo legato allo slow-rate degli amplificatori e alla velocità di carica del condensatore (T q ) di hold, il quale dipende dalla variazione della tensione di uscita; - il tempo di assestamento (t s ) che dipende anch esso dalla variazione della tensione di uscita. 13

14 Se R s è la resistenza vista dal condensatore di hold quando l interruttore è chiuso, la tensione V y ai capi di tale condensatore quando la tensione d ingresso varia a gradino è data da: V y (t)=v - V exp(-t / Rs C h ) Dove V rappresenta il valore a regime e V è l ampiezza del gradino. Il tempo richiesto per caricare il condensatore alla tensione (1-p)V è pertanto pari a: T q = -R s C h * Ln( p * abs(v / V) ) In particolare se si suppone che il condensatore sia inizialmente scarico si ha V= -V, per cui si ottiene : T q = - R s C h * Ln( p) Che fornisce T q = 4.6 R s C h p=1% 6.9 Rs C h p=0.1% Si definisce efficienza η di un SHA il rapporto fra la tensione ai capi di C h all istante di apertura dell interruttore I e la tensione di ingresso, ossia: η = 1-p = 1-exp (-T q / R s C h ) 14

15 Per aumentare η si deve ridurre la costante di tempo di carica R s C h, o aumentere il tempo T q di chiusura dell interruttore. Si noti però che, una volta minimizzato il valore di R s, la prima soluzione richiede una riduzione di C h, la quale comporta un aumento del droop rate durante la fase di hold. La seconda soluzione invece richiedendo un aumento della durata della fase di sample, comporta una riduzione del segnale di ingresso. In prima approssimazione si può supporre che, fissata l accuratezza p con cui il valore finale deve essere acquisito, anche il tempo di acquisizione T acq sia proporzionale a R s C h : T acq = K acq R s C h Una rozza figura di merito per un SHA e pertanto data dal prodotto: ß droop * T acq = (I d / C h ) K acq R s C h = K acq R s I d Si ricorda infine che, durante le transizioni possono apparire dei fenomeni transitori causati da squilibri dinamici all interno del SHA o da accoppiamenti capacitivi con il segnale di controllo. In Fig.10 sono riportate le principali caratteristiche dinamiche di un SHA. Figura10. Caratteristiche dinamiche di un SHA 15

16 La massima velocità di campionamento di un SHA è limitata dalla somma di un intervallo di tempo richiesta per il modo Sample and Hold. L intervallo trascorso nel modo hold (dopo che il transitorio si è stabilizzato) è soprattutto determinato dal sistema in cui un SHA è usato. Il tempo minimo trascorso nel modo sample comunque è determinato dal tempo di acquisizione sample-hold per un dato grado di accuratezza. Quando il tempo di acquisizione è misurato come l intervallo dalla transizione holdsample all istante in cui il buffer di uscita si è stabilizzato, il valore risultante del tempo di acquisizione è generalmente pessimistico. Come definito il tempo di acquisizione misura il tempo richiesto per acquisire il segnale al condensatore di hold non necessariamente all uscita del buffer (nonostante essi siano gli stessi). Per i dispositivi in cui il condensatore di hold è memorizzato da un inseguitore, piuttosto che usato come un integratore, la misura dell uscita include il buffer di uscita (fissato il tempo così come il tempo di ritardo dello switch). In pratica la tensione è stata già fissata dal condensatore hold, ed un comando hold può essere applicato prima che il buffer di uscita si sia stabilizzato completamente. La Fig 11 illustra un metodo per la determinazione del tempo di acquisizione che è indipendente dagli effetti del buffer di uscita. L onda quadra analogica in ingresso è campionata e convertita ad una frequenza doppia dell onda quadra analogica con impulsi sample strettamente vicini. Per una transizione a Sample la figura indica che l uscita incomincia a cambiare in modo da seguire il gradino iniziale. Inizialmente (fissata l ampiezza sufficiente per acquisire il segnale accuratamente) l ampiezza dell impulso t aq è ridotta fino a che il segnale di uscita, misurato digitalmente, cominci a collassare per qualche percentuale definita del fondo scala. Quando ciò accade l ampiezza dell impulso è uguale al tempo di acquisizione, perché il condensatore hold di non può acquisire più a lungo il segnale in maniera accurata con un ulteriore riduzione di t aq. Fig. 11. Determinazione del tempo di acquisizione 16

17 2.5 Modo sample Durante la fase di campionamento, una volta terminato il transitorio, il SHA è semplicemente un amplificatore inseguitore, la cui caratteristica di trasferimento dovrebbe essere una retta passante per l origine e pendenza unitaria. Per indicare gli scostamenti dalla idealità vengono fornite le seguenti specifiche di tipo statico, che sono riportate in fig.12(a): - la tensione di offset in uscita, ossia la tensione con ingresso nullo e la sua dipendenza dal tempo e dalla temperatura; - la non linearità della caratteristica di trasferimento statica, di solito fornita mediante il massimo scostamento tra la retta che meglio approssima tale caratteristica e la caratteristica stessa; - lo scostamento di guadagno, ossia il valore del coefficiente angolare della retta approssimante la caratteristica di trasferimento. Tali caratteristiche sono dovute a imperfezioni dell interruttore e degli amplificatori di ingresso e uscita; per la loro compensazione sono talvolta previsti adeguati circuiti. Figura 12. Specifiche statiche di un SHA durante la fase sample. Vengono inoltre fornite le caratteristiche di tipo dinamico tipiche degli amplificatori inseguitori, come ad esempio: - la banda passante sia per piccoli segnali, sia per grandi segnali. Infatti, se R s rappresenta la resistenza vista dal condensatore di hold quando l interruttore I è chiuso, nella fase di sample la cella R s C h funziona da filtro passa basso, limitando 17

18 in tal modo la frequenza massima della tensione di ingresso. D altra parte, poiché per garantire la costanza della tensione di uscita durante la fase di hold non è possibile ridurre a valori troppo bassi la capacità C h, per aumentare la frequenza di taglio di tale filtro è necessario che Rs assuma valori ridotti; - il ritardo di fase (phase shift), ossia lo sfasamento tra la tensione di uscita e quello di ingresso; - lo slow-rate (SR), ossia la massima rapidità di variazioni dell uscita; - il tempo di assestamento (setting time T s ), ossia il tempo richiesto affinché l uscita raggiunga una frazione specificata dal valore di regime quando all ingresso è applicato un gradino di tensione di ampiezza specificata, come mostrato in fig. 12 (b). 3. Alcune strutture circuitali che permettono di realizzare un SHA. I circuiti SHA possono essere a ciclo chiuso o aperto. I primi utilizzano l accuratezza, bassa deriva, e flessibilità di guadagno adatti all amplificatore operazionale. I secondi traggono vantaggio dalle caratteristiche di elevata velocità degli amplificatori buffer a guadagno unitario. Fig 13.SHA structure-simple follower Un SHA ideale dovrebbe riprodurre in uscita il segnale di ingresso senza incertezze, avere tempi di transizione nulli, ed essere in grado di mantenere in uscita il valore campionato per un tempo infinito. Poiché in pratica ciò può essere ottenuto solamente con un certo grado di approssimazione, è importante specificare come e di quanto il comportamento del circuito reale si scosta da quello del circuito ideale. 18

19 Nella modalità sample la capacità C h del SHA si carica attraverso la resistenza Rs della sorgente. Per ottenere una carica veloce del condensatore, ossia una veloce acquisizione del segnale, la costante di tempo di carica RsC h deve essere ridotta; pertanto, sia Rs che C h devono risultare molto piccole. Sempre nella fase di sample, una volta a regime, il circuito si comporta come un filtro passa-basso con pulsazione di taglio ω o =1/(R s C h ); affinché la tensione ai capi del condensatore riproduca fedelmente la tensione di ingresso, è necessario che ω o sia sufficientemente maggiore della banda del segnale di ingresso. Anche in questo caso si evince che sia R s, sia C h devono essere molto piccole. Al contrario, per mantenere costante la tensione ai capi del condensatore durante il modo hold, è necessario realizzare elevate costanti di tempo di scarica. Se R L rappresenta il parallelo fra la resistenza di carico e quella connessa a tutte le perdite del condensatore, tale costante di tempo vale R L C h Per mantenere costante il segnale di uscita è quindi necessari massimizzare il prodotto R L C h ; ciò richiede l impiego di elevare resistenze di carico e di condensatori di elevata capacità. Si noti, in particolare, che la condizione sul valore della capacità è opposta a quella richiesta nella fase di sample. Gli schemi circuitali impiegati per realizzare un SHA devono pertanto rendere minima la resistenza Rs: per la capacità C h si adotta invece una soluzione di compromesso scelta in base alle prestazioni desiderate. La struttura del circuito varia inoltre a seconda che il principale obiettivo da raggiungere sia la velocità oppure l accuratezza o infine una soluzione di compromesso. 3.1 Configurazione in cascata L ingresso e l uscita sono isolati dall interruttore e dalla capacità di memoria mediante due inseguitori di tensione, spesso aventi lo stadio di ingresso a FET, come mostrato in Fig

20 Fig 14. Configurazione in cascata L amplificatore di ingresso consente di ridurre la resistenza Rs vista dal condensatore quando l interruttore è chiuso; ciò è utile specialmente nei casi in cui la sorgente di segnale ha un impedenza elevata. A causa delle imperfezioni degli amplificatori, questo tipo di realizzazione, pur consentendo elevate velocità, è poco accurata. In particolare, le tensioni di offset dei due amplificatori in cascata si sommano tra loro causando uno scostamento sull uscita. 3.2 Configurazione in retroazione Quando è richiesta un elevata precisione, sia pure a scapito della velocità, conviene adottare uno schema a retroazione del tipo rappresentato in Fig. 15. In questo tipo di realizzazione l effetto sull uscita delle tensioni di offset degli amplificatori e dei rumori di modo comune viene notevolmente ridotto. Purtroppo il miglioramento dell accuratezza del dispositivo avviene a scapito di un aumento del tempo richiesto per la carica della capacità. Durante il modo hold, l amplificatore d ingresso è saturato in quanto mentre all ingresso invertente è applicata la tensione costante presente all uscita, all ingresso non invertente è applicato il segnale variabile da campionare. Durante la fase di sample successiva l amplificatore richiederà un certo tempo per uscire dalla saturazione, con una conseguente riduzione della velocità del componente rispetto alla realizzazione a catena aperta. 20

21 Fig.15. Configurazione in retroazione. La saturazione può essere prevenuta impiegando il circuito di Fig. 16 che presenta oltre all interruttore I altri due interruttori. In questo caso se durante il modo hold viene chiuso I1 e aperto I2 l amplificatore d ingresso può essere sconnesso dl circuito prevenendo così la sua saturazione. Durante la fase di hold, pertanto, il funzionamento di questa struttura è simile a quello del circuito di Fig. 14; nella fase di sample, invece il circuito di Fig. 16 si comporta in modo simile a quello di fig. 15. Fig. 16. Schema per la prevenzione della saturazione nell amplificatore di ingresso con l impiego di due interruttori In Fig.17 è mostrato un altro circuito che consente di evitate la saturazione dell amplificatore di ingresso impegnando due diodi. Durante la fase di sample l intero circuito si comporta come un inseguitore. I due diodi non conducono in quanto la tensione ai loro morsetti è inferiore alla tensione di soglia. Quando l interruttore viene aperto, uno dei due diodi è senz altro in conduzione, pertanto la maglia di retroazione dell amplificatore di ingresso viene chiusa. La resistenza R è impiegata per l imitare la 21

22 corrente sulla maglia di retroazione dovuta alla d.d.p. tra l uscita e l ingresso, che viene vista come un carico dell amplificatore di uscita. Fig. 17. Prevenzione della saturazione nell amplificatore di ingresso con l impiego di due diodi. 3.3 SHA con integratore Invece di utilizzare un condensatore collegato a massa seguito da un inseguitore di tensione, è possibile impiegare come elemento di memorizzazione un inseguitore come illustrato in Fig. 18. In questo caso l interruttore lavora al potenziale di massa. Durante la fase di sample l intero circuito si comporta sempre come un inseguitore. Durante la fase di hold, però, l amplificatore di ingresso è saturo. Fig. 18. SHA con integratore. 22

23 La saturazione dell amplificatore d ingresso del circuito di Fig. 18 può comunque essere evitata adottando lo schema di Fig. 19. Durante la fase di sample tale circuito si comporta come un inseguitore in cascata con un integratore e presenta una risposta in frequenza pari a: G( ω) = (1 + 1 jωrc h) Pertanto, se la frequenza del segnale di ingresso è sufficientemente minore di 1/(2RC h ) l intero circuito si comporta come un semplice inseguitore. Questo tipo di schema consente di realizzare SHA molto veloci. Fig. 19. SHA con integratore e prevenzione della saturazione nell amplificatore di ingresso. 23

24 3.4 TRANSIZIONE SAMPLE HOLD (S H) - l offset di carica Q è dovuto alla frazione di carica del componente di memoria C h che viene immagazzinata nelle capacità parassite Cl dell interruttore a causa dell apertura di quest ultimo. In prima approssimazione si può porre Q = Vy (Cl/C h ) 4. Applicazioni Senza dubbio il principale uso degli SHA è in testa ai convertitori analogico digitali. Il tempo di apertura, in un sistema a conversione A/D differisce dalla caratteristica del SHA. In una conversione A/D, il tempo di apertura si riferisce al periodo di tempo in cui l ingresso analogico deve rimanere stabile in maniera tale che avvenga una conversione accurata. E questo intervallo che limita l ampiezza analogica (massimo dv/dt) del convertitore A/D. Lo scopo del SHA è di fatto ridurre il tempo di apertura del convertitore A/D. Mantenendo l ingresso analogico cambiato rapidamente per il periodo richiesto dall ADC, l ampiezza di banda del sistema può essere aumentata sostanzialmente. In aggiunta, accuratezza linearità anche di segnali a bassa frequenza sono migliorate. La maggior parte dei convertitori A/D a successive approssimazioni e dei convertitori A/D di tipo subranging richiedono un SHA per tutto ma con ampiezze analogiche più basse. Per questo motivo alcuni convertitori sono offerti con gli SHA incorporati nel progetto. Questo rende capace il progettista del sistema a creare una combinazione ADC-SHA in cui la sincronizzazione è stata già ottimizzata per la migliori prestazioni. Dall altro lato molti convertitori A/D, tipicamente flash, offrono tempi di apertura estremamente bassi; l inclusione di un SHA con tali dispositivi può migliorare le prestazioni ad alta frequenza ma può degradare quelle a bassa frequenza a causa dell abbassamento associato con i capacitori necessariamente più piccoli. 24

25 I circuiti sample-hold vengono inoltre, largamente usati nei sistemi di acquisizione dati come mostrato in Fig.20. Fig. 20. Schema a blocchi di un sistema di acquisizione impiegante un SHA Il sample hold mantiene costante l ingresso al convertitore A/D durante l intervallo di conversione. Intanto il multiplexer collega la sua uscita al canale da convertire. Questa operazione può avvenire sia randomaticamente che sequenzialmente. Non appena la conversione è terminata, il sample-hold campiona il nuovo ingresso e il ciclo si ripete. Questo modo di operare è conosciuto come campionamento sincrono; il sample-hold opera in sincronia con diversi elementi di sistemi. Nel modo asincrono un largo numero di sample-hold può essere usato per acquisire e memorizzare dati a velocità pertinenti ad ogni singolo canale. Essi sono allora o interrogati dai multiplexers analogici, o i segnali sono convertiti in maniera asincrona singolarmente, e allora moltiplicati digitalmente. In una distribuzione di dati, lo 0.01% dei sample-hold è meno costoso del più ampio numero di convertitori D/A che hanno accuratezza paragonabile. Un tipico sistema di distribuzione dati è mostrato in Fig. 21. Un convertitore D/A veloce ed accurato aggiorna un numero di sample-hold ad una velocità e a un livello di accuratezza appropriato ai singoli canali. 25

26 Fig. 21 Schema a blocchi di un sistema di generazione di segnale con l ausilio di SHA. I Sample and Hold sono inoltre usati per modulare i convertitori D/A (DAC) nei sistemi che sono sensibili alle anomalie di funzionamento dei convertitori D/A che avvengono nei punti di transizione. La Fig.22 mostra la tempificazione usata per evitare ia propagarsi a valle del DAC dei suoi impulsi di commutazione (glitchs). Poco prima di inserire i nuovi dati nel DAC l SHA è messo nel modo hold, così che le anomalie D/A sono separate dall uscita. Gli SHA usati devono avere dei transitori molto piccoli di sample to hold o hold to sample e errori pedestal, così come i tempi di acquisizione veloci. Fig. 22. Uso del SHA per evitare la presenza di impulsi di commutazione prodotti da un convertitore D/A a valle del convertitore stesso. 26

27 Un'altra applicazione di un SHA è un rivelatore di picco. Un tipico esempio è mostrato in Fig 23. Quando l ingresso è più grande dell uscita dell SHA, l uscita positiva del comparatore costringe l SHA a inseguire l ingresso. Quando l ingresso diminuisce e diviene più piccolo dell uscita del SHA, l uscita 0 del comparatore costringe l SHA a mantenere l ingresso finchè l ingresso diventa di nuovo più grande dell uscita. Per resettare, l input di controllo è arbitrariamente acceso in sample e un livello minore è applicato in ingresso. L uscita del SHA (o l ingresso del comparatore) è polarizzato da 5mV di isteresi per evitare ambiguità durante gli ingressi a gradino e minimizzare falsi denti di sega (triggering) dovuti al rumore. Fig. 23. Schema a blocchi di un rilevatore di picco ed esempio di funzionamento. 5. SHA selettivi e usati In un sistema di acquisizione dati, il punto dove il campione analogico è preso è spesso il collegamento più debole, perché molti progettisti di sistema trascurano la natura contrastante delle esigenze su entrambe le performance statiche e dinamiche. Come esempio della varietà di SHA a disposizione, in tabella 1 si riportano le caratteristiche di alcuni SHA. 27

28 In qui dispositivi che richiedono un condensatore di hold esterno, il trasferimento di carica è dato in picocolumb (pc). L errore di offset reale (sample-hold) è dato da: V error = Q/C = trasferimento di carica(pc)/capacità hold(pf) Nello scegliere i condensatori per i dispositivi con questa opzione, l errore pedestal è soltanto una delle specifiche da considerare. Il tempo di assestamento, la velocità di droop, e il tempo di acquisizione sono tutte funzioni del condensatore di hold. Quando si confrontano le specifiche di un SHA, si deve essere sicuri di portare in conto le misurazioni effettuate. Per esempio, la misura del tempo di assestamento fatta quando si pilota un carico capacitivo grande sarà raramente cosi buona come le specifiche definite dal produttore, basate su misure con un semplice carico resistivo. In breve i progetti di sistema che incorporano SHA richiedono in aggiunta alcune considerazioni sui circuiti associati e sul layout, per capire e apprezzare le specifiche del dispositivo. Con tutto ciò che l utente deve considerare, fa poca meraviglia che molte fabbriche offrono pacchetti con ADC e SHA insieme. Questa è un altra possibilità di scelta per i progettisti di sistema: i vantaggi di un ADC completo con un SHA; o la flessibilità offerta dall immensa varietà di SHA e ADC utilizzabili singolarmente. Tabella 1. Caratteristiche di alcuni SHA disponibili sul mercato. 28