Circuitul de esantionare-memorare

Circuitul de esantionare-memorare

Un circuit de esantionare si memorare (CEM) realizeaza extragerea (prelevarea), la un moment dat a valorii unui semnal analogic (tensiune electrica) de intrare u_i, memorarea acestei valori u_e si mentinerea constanta a acesteia pe toata durata efectuarii prelucrarii (fig.1)

In starea de esantionare impusa prin nivelul 1 logic al semnalului de comanda S/H, CEM functioneaza ca repetor, semnalul la iesire u_e urmarind semnalul de la intrare u_i. Frontul de coborare al semnalului de comanda S/H determina memorarea valorii tensiunii de la intrare u_i de la momentul corespunzator frontului. Aceasta valoare a tensiunii de intrare este mentinuta la iesirea CEM pe intervalul corespunzator starii de memorare impus prin nivelul 0 logic al semnalului de comanda S/H. Aceste circuite de esantionare si memorare se utilizeaza atat in sistemele de achizitie a datelor cat si in sistemele de distributie de date.

In mod obisnuit circuitele de esantionare si memorare au amplificare unitara. Ele pot fi considerate pe buna dreptate memorii analogice a caror functionare este asemanatoare cu cea a memoriilor dinamice - un condensator este ancarcat la valoarea semnalului de intrare (esantionare) si apoi este utilizat pentru a pastra valoarea pe durate de timp finite (memorare)

Intr-un sistem de achizitie de date iesirea CEM este conectata la intrarea CAN. In intervalul corespunzator efectuarii unei conversii analog-numerice, circuitul de esantionare si memorare este comandat in stare de memorare pentru a mentine constanta tensiunea la intrarea CAN. Se obtine astfel marirea valorii limitei superioare a domeniului de frecventa pentru semnalului de intrare cu utilizarea CAN la rezolutia maxima, data de numarul de biti ai acestuia. Se precizeaza ca acest deziderat este atins daca tensiunea de la intrarea CAN nu se modifica in intervalul efectuarii conversiei cu mai mult de 1/2 LSB. In sistemele de distributie a datelor, circuitele de esantionare si memorare sunt utilizate pentru reconstituirea semnalelor multiplexate in timp.

Prezenta CEM inaintea CAN nu este in mod obligatoriu necesara. In cazul in care semnalele analogice sunt statice sau cvasistatice (lent variabile in timp) se poate renunta la aceste circuite mai ales daca variatia semnalului analogic, pe durata conversiei, este mai mica decat erorile ce le-ar putea introduce procesul de esantionare si memorare. In cazul semnalelor cu variatii rapide circuitele de esantionare si memorare sunt obligatorii.

1 Caracteristicile circuitului de esantionare si memorare (CEM)

Un circuit de esantionare si memorare ideal ar trebui sa comute regimurile de lucru instantaneu, timpii de stabilizare ar trebui sa fie nuli iar durata memorarii infinita. Din pacate an practica aceste deziderate nu pot fi indeplinite.

Se prezinta in continuare principalele caracteristici ale unui pe baza caracteristicii de functionare prezentata in fig.2:

    Eroarea stationara - reprezinta abaterea de la amplificarea unitara sau cea prescrisa prin datele de catalog

    Eroarea de decalaj - reprezinta valoarea tensiunii de iesire pentru o tensiune de intrare nula

        Timpul de apertura t_ap, reprezinta intervalul dintre frontul de comanda al starii de memorare pentru CEM si trecerea efectiva a acestuia in starea de memorare; are semnificatia unei inertii a circuitului la aplicarea comenzii. Rezulta ca, in procesul de achizitie, fronturile de comanda ale starii de memorare trebuie sa fie decalate cu t_ap inainte fata de momentele impuse de prelevare a esantioanelor. Instabilitatea timpului de apertura t_ap reprezinta limita maxima a variatiilor aleatoare ale timpului de apertura. Rezulta ca valorile memorate ale esantioanelor sunt afectate de erori cu limita maxima:

unde P_max reprezinta panta maxima a semnalului de intrare u_i.

In procesul de achizitie, eroarea e_max trebuie sa satisfaca relatia:

    Timpul de stabilizare t_s la comutarea CEM in starea de memorare reprezinta intervalul dintre momentul de sfarsit al timpului de apertura si momentul reducerii amplitudinii oscilatiilor la iesirea CEM sub valoarea 1/2 LSB. Un proces de conversie-analog numerica se declanseaza numai dupa stabilizarea iesirii CEM in starea de memorare, adica dupa sfarsitul timpului de stabilizare t_s.

Modificarea tensiunii u_e de la iesirea CEM in starea de memorare este caracterizata prin panta de variatie a acesteia (u_e/t), numita viteza de alterare. Alterarea tensiunii u_e de la iesirea CEM in starea de memorare pana in momentul terminarii conversiei analog-numerice trebuie sa fie mai mica de 1/2 LSB.

Diafonia caracterizeaza variatia tensiunii de iesire an starea de memorare datorita variatiilor tensiunii de intrare.

    Timpul de achizitie t_ac reprezinta intervalul de timp dintre momentul aplicarii frontului de comanda al starii de esantionare si momentul in care iesirea CEM urmareste intrarea acestuia cu o precizie data (eroare mai mica de 1/2 LSB). Acest timp de achizitie apare datorita intarzierii la comanda de comutare in starea de esantionare, datorita vitezei limitate de variatie a tensiunii de la iesirea CEM precum si procesului oscilatoriu premergator stabilizarii tensiunii de la iesirea CEM. Timpul de achizitie reprezinta o caracteristica importanta a CEM care limiteaza, in procesul de achizitie, frecventa de esantionare (frecventa de culegere a valorii semnalelor).

Ansamblul CEM - CAN

In continuare se prezinta modul de comanda al ansamblului CEM - CAN in corelatie cu caracteristicile celor doua componente ale ansamblului (figura 3).

Semnalele de control ale CAN sunt:

Start Conversie care permite declansarea procesului de conversie analog-numerica prin fronturile crescatoare ale acestui semnal;

Stare Conversie care indica prin nivelul logic 1 efectuarea de catre CAN a unei conversii si deci prin frontul descrescator indica sfarsitul conversiei analog-numerice.

In scopul achizitiei unui esantion (realizarii unei conversii analog-numerice), CEM este comandat in starea de memorare la momentul t₁ (fig.4).

Declansarea conversiei analog-numerice se realizeaza la momentul t₂, dupa stabilizarea iesirii CEM:

Momentul t₃ reprezinta sfarsitul convesiei analog-numerice moment precizat de comutarea la nivel 0 logic a semnalului Stare Conversie. Rezulta unde T_C este timpul de conversie al CAN.

Tot la momentul t₃, CAN incarca liniile de iesire b₁ b₂ b_N cu rezultatul conversiei si se comanda CEM in starea de esantionare. Aceasta stare este mentinuta pana la momentul t₄ astfel incat unde t_ac este timpul de achizitie al CEM.

Perioada de achizitie minima T_acmin caracteristica ansamblului CEM - CAN reprezinta intervalul de timp minim intre momentele de prelevare a doua esantioane consecutive.

Rezulta deci ca:

3 Principii constructive ale CEM

Simbolul frecvent folosit pentru descrierea circuitelor de esantionare si memorare in schemele bloc este un comutator in serie cu un condensator, unde R_i reprezinta rezistenta interna a sursei de semnal.

Comutatorul controleaza modul de lucru al dispozitivului, iar condensatorul memoreaza valoarea tensiunii. Un circuit de esantionare si memorare poate folosi doar aceste componente, dar cu performante foarte scazute. Studiind deficientele rezultate din aceasta schema se trag concluzii privind componentele ce trebuie adaugate pentru imbunatatirea performantelor circuitului.

In primul rand, in modul urmarire, timpul de incarcare al condensatorului este dependent de impedanta sursei de intrare. O sursa cu impedanta mare de intrare va da o constanta mare de timp RC, avand ca rezultat cresterea timpului de achizitie. Pentru a ameliora acest efect se foloseste la intrare un circuit de adaptare de impedanta cu amplificator operational in configuratie repetoare ce trebuie sa suporte o sarcina capacitiva. Timpul de achizitie devine astfel independent de impedanta sursei si este foarte mic avand in vedere impedanta foarte mica de iesire a amplificatoarelor operationale.

In al doilea rand, in modul memorare condensatorul se va descarca pe sarcina de iesire. Deci viteza de degradare a tensiunii memorate va fi dependenta de sarcina de iesire ce nu poate fi foarte mare. Pentru a ameliora acest dezavantaj, un amplificator repetor va separa de asemenea condensatorul de circuitul de iesire. In consecinta, pentru a incarca si memora o valoare de tensiune pe condensator, circuitul practic de esantionare si memorare include adaptare de impedanta atat pe intrare, cat si pe iesire. Exista doua variante de baza ale acestei structuri: in bucla deschisa sau bucla inchisa in functie de reactia folosita.

La arhitectura in bucla deschisa, figura 4, la intrare si la iesire se folosesc amplificatoare operationale in configuratie repetoare.

Amplificatorul operational de intrare A₁ asigura o impedanta mare de intrare a CEM si impedanta mica pentru incarcarea condensatorului C in starea de esantionare ceea ce conduce la un timp de achizitie redus (constanta de timp de incarcare a condensatorului T_i = f (R_A1 C) unde R_A1 este impedanta de iesire a amplificatorului A₁.

Amplificatorul operational de iesire A₂ este realizat cu tranzistoare cu efect de camp (FET) astfel incat in circuitul de intrare se obtine o impedanta foarte mare conducand la descarcarea lenta a condensatorului (constanta de timp de descarcare a condensatorului T_d = f (R_A2 C), unde R_A2 este impedanta de intrare a A₂ rezultand astfel o viteza de alterare redusa.

Valorile capacitatii condensatorului de memorare C se aleg in functie de caracteristicile aplicatiei in care se utilizeaza respectivul CEM. Astfel, cresterea valorii capacitatii condensatorului de memorare conduce la cresterea timpului de achizitie al CEM, dar la scaderea vitezei de alterare a tensiunii de iesire in starea de memorare. Scaderea valorii capacitatii condensatorului de memorare conduce la scaderea timpului de achizitie, dar la cresterea vitezei de alterare a tensiunii de iesire in starea de memorare. Se utilizeaza o valoare care realizeaza astfel un compromis intre cele doua caracteristici: timp de achizitie si respectiv viteza de alterare. Pentru obtinerea unor performante ridicate condensatorul de memorare trebuie sa aiba curent mic de pierderi prin izolatie avand dielectricul din polistiren sau teflon.

Reducerea erorilor de decalaj ale CEM se poate obtine prin includerea celor doua amplificatoare operationale A₁ si A₂ intr-o bucla de reactie globala, ca in figura 5.

Efectul principal al utilizarii reactiei globale consta practic in eliminarea erorilor de decalaj corespunzatoare amplificatorului de iesire A Rezulta ca in cazul structurii de principiu din fig.5, erorile de decalaj ale CEM sunt date doar de amplificatorul operational de intrare AO₁, care trebuie ales cu deriva redusa a tensiunii de decalaj.

In ambele cazuri ( bucla inchisa sau deschisa ) pe durata memorarii, deoarece bucla de reactie este intrerupta sau lipseste, amplificatorul de intrare se satureaza si la trecerea in starea de esantionare intrarea trebuie reachizitionata, chiar daca semnalul de intrare nu a suferit nici o modificare.

Pentru a evita intrarea in saturatie a amplificatorului A₁ se poate folosi urmatoarea schema pentru circuitul de esantionare si memorare ( figura 6)

Cand comutatorul este inchis (stare de esantionare) cele doua amplificatoare lucreaza ca repetor intr-o bucla de reactie globala, diodele D₁ si D₂ fiind blocate.

Cand comutatorul este deschis (stare de memorare) una din cele doua diode ( D₁ sau D₂) va conduce avand rolul de a preveni saturatia iesirii amplificatorului A₁ si de a permite ca acesta sa-si reia rapid rolul la trecerea in starea de esantionare.

4 Comutatorul Electronic

Este un comutator analogic bidirectional realizat cu trazistor cu efect de camp comandat cu semnale avand nivele compatibile TTL sau CMOS si avand schema prezentata in figura 7.

Pentru nivel logic "0" la intrare (0V) tranzistoarele T3 si T2 sunt blocate iar in colectorul lui T2 apare o tensiune apropiata de +E care blocheaza dioda D. Astfel T1 are intre sursa si grila o tensiune de aproximativ 0V deci va conduce.

Cand la intrare apare nivelul logic "1"(+5V) T3 si T2 conduc, T2 este adus la saturatie, tensiunea in colectorul lui devenind -E. Dioda D se deschide si tensiunea grilei devine puternic negativa fata de sursa ceea ce duce la blocarea lui T1. Dezavantajul important al acestei scheme apare datorita capacitatii parazite a comutatorului existenta intre drena si grila C_gd.

Cand circuitul de esantionare si memorare trece din starea de esantionare in cea de memorare apare un transfer de sarcina ne dorit intre condensatorul de memorare si capacitatea C_gd a tranzistorului comutatorului. Acest transfer cauzeaza un salt de tensiune pe C_H si deci o modificare a tensiunii de iesire. Aceasta eroare se numeste salt de memorare. Ea se aproximeaza astfel :

cu ∆q C_gd (E+V_out)

Deoarece tranzistorul isi modifica tensiunea pe grila de la V_in=V_out in starea de esantionare la valoarea -E in starea de memorare. Rezulta deci

∆V_out

Aceasta valoare depinde de V_out si poate atinge valori de 50100 mV ceea ce este inadmisibil.

6 Circuit de esantionare si memorare optimizat

Pornind de la structura anterioara si dezvoltand-o rezulta urmatoarea schema pentru un circuit de esantionare si memorare fig. 8.

Fenomenul de injectie de sarcina apare la comanda comutatoarelor K_a si K_b in starea de memorare si produce din motive de simetrie acelasi salt de memorare la bornele condensatorului de memorare cat si la bornele condensatorului C_H cuplat in bucla de reactie a amplificatorului A

Rezulta ca la iesirea circuitului de esantionare si memorare nu apare un salt de tensiune datorat injectiei de sarcina. Prezenta condensatorului C_H in bucla de reactie negativa a amplificatorului A2 pe durata memorarii conduce la reducerea vitezei de alterare a tensiunii de la iesirea CEM deoarece acesta se descarca simultan cu descarcarea condensatorului de memorare, potentialul intrarilor pozitive si negative ale A2 nu difera rezultand mentinerea nemodificata a tensiunii de iesire.

Rezistenta R2 conectata in serie cu condensatorul de memorare CH are rolul de a reduce timpul de stabilizare al CEM la trecerea in starea de esantionare. De asemenea R2 realizeaza defazarea in urma a tensiunii V_c la bornele condensatorului de memorare fata de tensiunea de intrare a CEM.

Acest defazaj depinde de frecventa (functie liniara) ceea ce indica o intarziere a V_c fata de V_IN fara distorsionarea semnalului.

Deoarece tensiunea V_c apare la iesirea CEM in starea de memorare rezulta ca aceasta intarziere are efect contrar fata de intarzierea aparuta la comutarea circuitului in starea de memorare datorata timpului de apertura.

Prin alegerea corespunzatoare a rezistentei R2 cele doua intarzieri se pot compensa, ceea ce conduce la realizarea unui circuit de esantionare si memorare cu timp de apertura nul.

7 Circuitul de esantionare si memorare specializat LF6197

O arhitectura noua ce combina viteza configuratiei in bucla deschisa cu precizia configuratiei in bucla inchisa este arhitectura cu multiplexarea de curent prezentata in figura 9.

LF 6197 produs de National Semiconductor este un circuit de esantionare si memorare de inalta performanta ce foloseste aceasta arhitectura. La arhitecturile anterioare, variatia de sarcina pe condensatorul de memorare datorita curentilor de pierderi si curentilor de polarizare a intrarilor amplificatoarelor operationale producea in starea de memorare o variatie a tensiunii memorate ce ducea la modificarea iesirii circuitului de esantionare si memorare.

In modul urmarire, intrarea amplificatorului de transconductanta g_m1 este conectata la repetorul de iesire, in timp ce comutatoarele S₂ si S₃ sunt inchise, descarcand rapid in acest fel condensatorul C_D si conectand la masa condensatorul C_H care se incarca in acest fel. Comanda de memorare conecteaza amplificatorul de transconductanta g_m2 la repetorul de iesire si deschide comutatoarele S₂ si S_3.

Un amplificator de transconductanta cu reactie functioneaza astfel incat i+=i-. Astfel scaderea tensiunii de iesire datorita modificarii de sarcina pe condensatorul de memorare este anulata de o modificare de sarcina identica dar de polaritate opusa pe condensatorul C_D care are aceeasi valoare ca si condensatorul de memorare. Astfel se obtine o reducere a vitezei de alterare a tensiunii memorate.