類比基礎知識：取樣保持電路如何運作？如何確保 ADC 準確度？

從錄音到物聯網 (IoT)、工業物聯網 (IIoT) 以及如今的人工智慧物聯網 (AIoT)，將「現實」世界中的類比訊號轉換成可在上游處理的數位訊號，這是電子系統的基本功能。不過，要有效且有效率地進行這項作業，需要瞭解背後的原理與步驟，而這些通常被人們所忽視。

例如，假如對某個類比數位轉換器 (ADC) 的輸入，施加典型的類比訊號，此訊號不斷改變振幅，而且在轉換開始和結束時並不會保持相同，那麼在進行轉換前，究竟如何對訊號進行「保持」並接著「取樣」？這樣的振幅變動或偏斜可能會導致嚴重的誤差，尤其對高解析度的 ADC 更是如此，因為此元件轉換訊號所需的時間較長。瞭解並消除此誤差來源，是設計人員所面對的挑戰。

本文將說明如何透過讓 ADC 使用取樣保持 (S&H) 或追蹤保持 (T&H) 電路，來避免振幅偏斜。取樣保持 (或追蹤保持) 元件會對輸入進行真實取樣，並在輸入抗交疊低通濾波器和 ADC 之間運作。本文將討論取樣保持 IC 的特性與選擇標準，並檢視內建取樣保持元件的 ADC。針對不同的應用，我們將列舉來自 Texas Instruments、Maxim Integrated 及 Analog Devices 的幾個不同特性的範例元件進行說明。

取樣保持在 ADC 中扮演的角色

當 ADC 的輸入端施加非 DC 訊號時，該訊號會不斷改變振幅。不過，類比數位轉換過程時間間隔有限，因此在這段時間內，ADC 輸入的振幅會有所改變 (圖 1)。這種振幅偏斜可能會導致發生嚴重的誤差。

圖 1：輸入訊號變化的 ADC，會因為數位化期間的訊號振幅變動 (底部)，而容易發生振幅誤差 (頂部)。(圖片來源：DigiKey)

要避免 ADC 發生振幅偏斜，需要對訊號進行取樣，並在轉換過程中保持固定的振幅。而這可透過 ADC 的取樣保持或追蹤保持電路來完成 (圖 2)。

圖 2：取樣保持 (左) 和追蹤保持 (右) 電路的主要差異在於追蹤期的持續時間：取樣保持的持續時間短，而追蹤保持的持續時間長。(圖片來源：DigiKey)

這兩種類型的電路都會對輸入訊號進行取樣，並在整個轉換期間，讓取樣的電壓保持恆定。追蹤保持電路輸出 (右) 會一直追蹤輸入訊號，直至收到指示進行取樣為止；接著會在 ADC 轉換期間保持取樣值。取樣保持的取樣孔徑較短，其輸出為一系列的取樣位準 (左)。追蹤保持和取樣保持之間的主要差異在於追蹤間隔的持續時間：取樣保持的持續時間非常短，追蹤保持則明顯較長。這兩種電路都仰賴快速開關，來隔絕連接到訊號輸入端的儲能電容。下文「使用取樣」保持一詞，同時代表取樣保持或追蹤保持。

取樣保持階段會對輸入進行真實取樣，並在輸入抗交疊低通濾波器和 ADC 之間運作。低通濾波器會進行抗交疊頻段限制，而且必須在取樣保持之前完成，以便在取樣前對訊號進行頻段限制，以免發生交疊 (圖 3)。

圖 3：在數化器訊號路徑中，取樣保持元件置於抗交疊低通濾波器和 ADC 之間。(圖片來源：DigiKey)

請注意，取樣保持前的訊號都是類比訊號。取樣保持的輸出是經過取樣的波形，隨後會饋送到 ADC。

典型的取樣保持元件

Texas Instruments 的 LF398MX/NOPB 取樣保持積體電路 (IC) 的方塊圖，顯示了基本的電路配置 (圖 4)。取樣保持的實作是使用快速開關及高品質的電容。在 LF398MX/NOPB 這個範例中，電容位於 IC 的外部。當開關關閉時，電容會充電至輸入訊號的電壓位準。當開關打開時，電容會維持該電壓，直到 ADC 對其完成數位化。此取樣保持元件採用的 bi-FET 技術結合了 FET 與雙極電晶體，可支援快速擷取 (少於 6 µs，振幅誤差為 0.01%)，並具有高 DC 準確度 (通常為 0.002%)，以及極低的壓降 (通常每秒低於 83 µV)。內部放大器會對開關和保持電容進行緩衝。

取樣保持元件的擷取時間視保持電容的值而定，範圍可介於 0.001 至 0.1 µF 之間。外部保持電容必須具有低介電質吸收率，以及低洩漏率。建議使用聚苯乙烯、聚丙烯以及 Teflon 電容。

圖 4：Texas Instruments 的 LF398MX/NOPB 取樣保持方塊圖展示了關鍵的元件：快速開關與外部保持電容。(圖片來源：Texas Instruments)

取樣保持的特性

取樣保持元件具有一系列特定術語，用於描述自身的運作 (圖 5)。

圖 5：常見的取樣保持動態特性，其定義包含擷取時間、趨穩時間、孔徑時間以及振幅衰退。(圖片來源：DigiKey)

擷取時間指的是從切換至取樣模式，到取樣保持開始追蹤輸入訊號為止的這段時間。此時間會隨著保持電容值以及開關與訊號路徑的串聯電阻而變化。當回到保持模式時，可能會出現時間延遲現象，直到元件停止追蹤輸入並開始保持某個值為止 — 這就是孔徑時間。孔徑時間會隨著驅動器與開關的傳播延遲而變化。孔徑不確定性或抖動指的是，孔徑時間因時脈變動及雜訊而發生的變異。

在保持模式中，在「進入該模式」和「元件趨穩至保持值的誤差帶內」之間會有一段時間，稱為趨穩或保持趨穩時間。在趨穩時間中，有時可能會在開關驅動器和保持電容之間進行不當的電荷傳輸；這個現象稱為保持步進或基底誤差。保持步進的幅度通常落在 mV 範圍，並且盡可能將訊號的滿量程範圍維持在高點，以便將其作用降到最低。

取樣保持的最短取樣時間，為擷取時間、孔徑時間及趨穩時間的總和。 可達成的最大取樣率，是擷取時間、孔徑時間及趨穩時間之總和的倒數。

在保持模式下，取樣保持的保持值可能會因保持電容洩漏而減小。此電壓增量情形稱為衰退。其通常以 mV/s 的衰退率來表示。

取樣保持配置

取樣保持 IC 提供多種配置，以滿足應用需求。考量一個需要差動輸入的應用，例如與加速計、應變計或光學電流監測器等差動輸出傳感器進行介接。在適合此類應用的取樣保持 IC 中，Maxim Integrated 的 DS1843D+TRL 就是個很好的範例 (圖 6)。

圖 6：如同這個典型的運作電路中所示，Maxim Integrated 的 DS1843+TRL 是一款差動取樣保持元件，其使用雙通道保持電容來實作差動取樣。(圖片來源：Maxim Integrated)

圖中的 DS1843+TRL 置於典型的光訊號線傳輸應用中，以進行突衝模式接收訊號強度指標 (RSSI) 量測。Maxim Integrated 的 DS1842/MAX4007 是一款電流監測器，可從連接至參考輸入的突崩光電二極體來鏡射電流。輸出電流會導向流經電阻 R_IN，將其轉換為電壓。DS1843 會以差動方式測量此電壓，而該元件內含全差動取樣開關、電容 C_S，以及差動輸出緩衝器。這款取樣保持元件使用兩個 5 pF 電容，一個連接至正極差動輸入，另一個接至負極差動輸入。低電容值可確保快速的擷取時間。這款元件的取樣 (擷取) 時間很短，低於 300 ns。取樣保持的保持時間超過 100 µs。

有些元件能在單一 IC 封裝中容納四個或八個取樣保持電路。Analog Devices 的 SMP04ESZ-REEL 四通道取樣保持元件就是一個範例。SMP04ESZ-REEL 是一款採用一般封裝的 CMOS 元件，當中納入四個取樣保持電路，擷取時間為 7 µs，衰退率僅為 2 mV/s (圖 7)。

圖 7 也說明取樣保持元件能如何搭配數位類比轉換器 (DAC) 使用；此例中是用於避免因 DAC 中的程式碼轉換，而導致發生輸出暫態或突波。

圖 7：Analog Devices 的 SMP04 四通道取樣保持元件內含四個獨立的取樣保持電路，以及匹配的緩衝放大器。圖中的電路使用 SMP04，以將 DAC 的輸出多工處理至四個通道。(圖片來源：Analog Devices)

在圖中，SMP04 是用來對 DAC 的輸出進行多工處理，將單一 DAC 輸出拆分至四個多工通道。取樣保持電路可用於選擇性地將 DAC 的輸出延遲到突波之後，藉此撫平 DAC 輸出。

多個取樣保持電路可用來將多工輸入進行管線化，藉此增加 ADC 的傳輸量。此處是將多個取樣保持元件，共同連接至多工器輸出。ADC 連接到一個取樣保持元件，後者會針對轉換作業保持輸入位準。其他的取樣保持元件擷取其他的多工器通道，並依序連接至 ADC，而第一個取樣保持元件能自由連接至其他的多工通道。這樣的管線化技術，能消除 ADC 訊號路徑中的取樣保持擷取時間。

許多 ADC 都在各自的整合式封裝中，納入取樣保持或追蹤保持電路。其中一個範例是 Texas Instruments 的 ADC121S021CIMFX，這是一款 12 位元的連續漸近暫存器 (SAR) ADC，內建追蹤保持電路，取樣率範圍為 50 至 200 kS/s。該元件具有高速序列輸出匯流排，能夠簡化接線佈局 (圖 8)。

圖 8：Texas Instruments 的 ADC121S021 是一款 12 位元單通道 SAR ADC，內建有追蹤保持電路。(圖片來源：Texas Instruments)

這款 ADC 是許多整合式 ADC 電路的典型，因其具有內部追蹤保持元件，能夠簡化電路板佈局，並有助於將元件數降到最低。外部追蹤保持電路可用於特殊的配置，例如差動輸入連接、多工輸入等等，或在 ADC 沒有內部追蹤保持或取樣保持電路時使用。

結論

從錄音到最先進的 IIoT 或 AI 分析，若要實作最基本的電路功能 — 即將類比訊號轉換為數位訊號，則需要謹慎留意取樣保持或追蹤保持電路。這些必要元件可用於在進行類比數位轉換期間，將電壓偏斜誤差降到最低，因為它們會在轉換過程中讓 ADC 的輸入電壓保持恆定。取樣保持元件可置於 ADC 的內部或外部，但必須位於抗交疊低通濾波器和 ADC 之間的訊號路徑上。如本文所述，為了滿足各種設計應用，配置種類很多，每個 IC 可配置單一元件、差動元件或多個元件。這些應用還包括能避免因 DAC 中的程式碼轉換，而導致輸出暫態或突波。

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