作者：ADI公司 Walt Jung

采样保持（S/H）功能是数据采集和模数转换过程的基础。S/H放大器电路有两种不同的基本工作状态。在第一种状态下，对输入信号采样，同时传送到输出端（采样）。在第二种状态下，保持最后一个采样值（保持），直到再次对输入采样。在大多数应用中，S/H用作数据采集系统中模数转换器的“前端”。这样使用时，S/H主要用于在执行模数转换所需的时间段内，让模拟输入电压电平保持恒定不变。

具体来说，S/H是数据转换系统必须具备的系统功能模块，所用的模数转换器在进行转换期间，必须提供恒定且准确的模拟输入。逐次逼近类型模数转换器就是这种用法的一个示例。理想情况下，S/H会在接到HOLD命令之前“冻结”最后的瞬时输入电压，并将该电压原样提供给模数转换器，随后由模数转换器将该电压转换成相应的数字字。实际上，在实施S/H的过程中会涉及许多误差因素。所以，本应用笔记将探讨这些基本考量因素，以及具有代表性的器件拓扑和应用。

S/H放大器的基本操作

图1显示了S/H的一些基本信息，图1a是基本的S/H电路结构。图中显示，待数字化的模拟输入信号直接传输至电子开关S1。根据S1的状态，该信号将传输至保持电容CH，或者被拦截。开关S1的状态由S/H控制线控制，该控制线是一个数字输入。

当S1关闭时，传输至CH的输入信号由A1缓存。该信号也可能传输至S/H输出端（本次讨论不考虑低通滤波器可能造成的影响）。如果在输入变化（与交流波形一样）期间，S1保持连接一段时间，则该操作也可称为跟踪；也就是说，任何输入变化都会传输至输出。

a. 基本的S/H电路，由开关、保持电容和缓冲放大器组成

b. S/H波形，显示被采样的输入（顶部）、S/H控制（中间）和S/H输出（底部）

图1.S/H基本信息

当S1打开时，最后的输入电压值作为电荷保留在CH上；也就是保持电压不变。A1继续读取该电压，直到进入下一个采样周期。图1b通过输入、输出和控制波形展示了此操作。S/H电路用于实现各种信号处理功能；不仅可用于实现模数接口，还可用于实现更通用的模拟存储器功能，例如自稳零型放大器。

图1b中所示的S/H工作波形几乎是理想波形，假设开关、跟踪、保持特性和负载/源抗扰性均是理想状态。但实际上，在该器件的各个状态（四个状态）下，都存在S/H误差。这些状态包括：

（1） 保持采样转换

（2） 采样间隔

（3） 采样保持转换

（4） 保持间隔

采样/跟踪保持放大器

很明显，这些误差对很多应用可能非常重要，对于高精度应用（》10位，或精度为0.1%或更低）则全部都很重要。具体的定义和说明如下文所述。

保持采样转换误差

当器件从保持状态切换至采样状态时，这些误差与时间间隔相关。由于自最后一次采样电压之后，输入可能发生了很大变化（例如，可能是满量程），因此S/H必须重新获取输入信号，并再次在其额定精度范围内稳定下来。如图2所示。

采集时间是S/H在收到采样命令后采集并跟踪输入信号所需的时间。通常指定为满量程电平变化（-10V至+ 10V，反之亦然），因为这代表了获取任意电平信号所需时间的最坏情况。输出必须假设所需的电平在额定误差范围内，与转换或采样所需的精度水平一致。例如，可能是0.01%或0.1%。图2a所示为保持采样采集波形。

图2a.保持采样节点采集时间，显示新信号采集（顶部）和S/H控制（底部）

对于大幅度的保持采样变化，采集时间的大部分都是初始摆动间隔。在这个高误差间隔之后，输出可能过冲，随之将稳定在±2mV额定精度范围内；以20V刻度为例，该范围为±0.01%。注意，当信号稳定并保持在额定误差范围内时，采集时间结束。

采集时间是保持采样误差的主要组成部分，也是决定转换系统S/H部分工作速度的主要因素。典型时间为约几毫秒至0.1%或0.01%或更高的精度。采集时间很大程度上取决于所用的保持电容的值，因为该电容（通常）会影响压摆率。

图2b所示为保持采样瞬态，即从保持模式转换至采样模式时产生的切换瞬态。注意，即使之前的保持电压和新样本之间相差不大，也会出现这种瞬变。由于这种瞬变幅度可能远远超过S/H额定精度（可能多达几百毫伏），在确定输出电压样本有效之前，必须留出足够的时间让这种瞬变消失。

图2b.保持采样模式瞬态和建立时间

由于该瞬态的建立时间会延续到保持采样命令开始之后，系统时序必须允许此种情况。但是，实际上，与保持采样瞬态相关的建立时间通常都远远短于采集时间。因此，相当于最坏情况（或采集时间）的时间间隔通常都会自动考虑保持采样瞬态误差及其相关的建立时间。

采样误差

在采样间隔内，S/H器件会像运算放大器一样跟踪输入信号。事实上，大部分S/H器件要么是专用运算放大器，要么是使用运算放大器（其特性非常适合S/H使用）构建。因此，由于大部分S/H放大器都会降低至或等同于运算放大器电压跟随器或反相器，所以可以采用类似方法来计算它们的采样模式误差。

S/H中的纯比例误差通常可以被视为良性误差，因为它们大体上可以通过校准调整来消除。通常情况下，要执行此操作，模数基准源是一个非常方便的点，这样可以一次性消除所有系统比例误差。当然，这种方法适合传统用法，例如一个模数转换器一个S/H。如果模数转换器之前有多个S/H，或者如果S/H只是其他电路的一部分，则需要通过增益比例电阻来调节局部增益。

在任何情况下，都必须了解最坏情况与理想S/H比例系数之间的偏差，并在计算误差预算时考虑这种偏差。通常情况下，比例系数都为1 ±0.001%或更低的误差。也就是与电压跟随器连接相关的增益误差类型。

在使用增益电阻的情况下，例如当S/H用于同相增益而不是单位增益时，电阻公差会使这个误差明显增大。对于反相模式操作S/H，无论如何，都必须使用增益比例电阻。无论在哪种情况下，在S/H芯片上安装应用电阻都是非常有利的，因为它们将获得更高的预调精度，以及最大偏移的技术规格。对于器件，近来的趋势是采用预调电阻来支持常用的增益-1、+2等。

注意，虽然可以通过系统比例校准来调节实际增益（比例）误差，但增益非线性并不等同于非可调误差。

增益非线性是一个临界S/H误差，它表现为与理想传输特性之间的偏差。此误差分量是器件在其额定信号输出范围（通常为±10V）内运行时，与理想S/H增益数值（例如+1、+2、-1、 -2等）之间的动态偏差。其最大误差分量通常是输入级共模误差，这是跟随器类型连接中的典型情况（总体上最普遍）。在反相器类型连接中，共模误差消失，但电阻匹配误差会成为误差源。

在±10V信号范围内，S/H非线性典型值为0.001%至0.01%。显然，为了保持系统性能，S/H非线性必须优于使用的模数转换器所确立的整体非线性。对于S/H非线性，可以遵循一个很好的法则：数值应比转换器的基本分辨率高一个数量级。例如，0.01%或更好的S/H非线性度与10位转换器配合使用。注意，用户可能需要根据S/H的共模抑制比（CMRR）计算非线性，例如80dB CMRR相当于0.01%的非线性。

偏移是指S/H输入接地时输入和输出之间的直流偏移。通常通过可选的微调电位计将其调节至零。典型的直流偏置规格为±2mV或以下。对于S/H应用，自身的纯偏移不是问题，因为在系统整体校准过程中，始终可以将其调节至零。也可以进行模数转换器微调校准时，以手动方式或通过软件完成。

失调温度漂移则是另一回事，因为很难将其与实际信号区分开来。除非包含自稳零校准周期，否则S/H失调漂移误差分量无法降低，会随着温度变化产生误差。S/H漂移的典型值为1至10µV/°C，无论是要求更高的精度，还是需要广泛的温度范围，此误差都属于严重误差。

S/H失调电压也会随电源电压而变化，这一点也应该说明。通常，电源抑制约为80dB或100µV/V。对于调节良好的电源或使用自动校准周期时，此参数通常不太重要。

建立时间适用于输入电压快速变化的采样模式。跟踪输入信号时，S/H受到动态限制，这与其他运算放大器配置类似。

建立时间由压摆率和小信号带宽决定，如果步长大幅变化，压摆率是主因。典型压摆率为5至10V/µs，建立时间为5-10µs。正如采集时间部分所述，确切规格很大程度上取决于保持电容。

采样保持转换误差

孔径时间或孔径延迟是指发出保持命令到实际打开S/H开关经过的时间。对于快速变化的输入电压，在确定实际保持电压的过程中会产生误差。由此产生的电压误差将等于有效孔径时间间隔内输入电压的变化。

图3大体显示了与孔径时间相关的误差，图3a显示孔径延迟如何在保持电压内产生误差。对于快速变化的输入电压，在开关从开启到关闭期间，S/H电压以接近1/2LSB的幅度变化。

图3a.与孔径相关的时间/电压误差。模拟输入/输出（顶部），采样/保持驱动（底部）。

作为孔径时间影响的一般示例，考虑变化速率（信号斜率）为1 V/µs，以10ns孔径时间采样的输入信号。由于与孔径时间相关的dV/dt误差，这会产生10mV采样误差。

这种误差通常很严重。有效孔径延迟可以通过按照标称孔径延迟时长提前在系统中执行保持命令来补偿，但这并非全部误差。

去除标称孔径延迟之后，剩余的误差称为孔径抖动（或不确定性），它具有高信号斜率输入，是真正限制S/H采样误差的因素。孔径抖动是指样本与样本之间的实际S/H开关时序的净变化量。这种抖动对孔径时间相关误差产生最终限制。对于1v /µs压摆率示例，1ns孔径抖动会导致±1mV电压不确定性。

可以通过图形显示极限孔径时间和由此产生的允许满量程电平正弦波输入频率之间的一般关系。如图3b所示。此图基于最大（满量程）正弦波输入频率，其误差不超过1/2LSB。此频率fmax的计算公式如下：