取樣並保持電路基本原理

3.2 取樣並保持電路基本原理

圖 3.1 取樣並保持電路功能圖

圖 3.1 表示一個取樣並保持電路的基本工作原理，為了能針對不斷變化的輸 入訊號作取樣，所以一個取樣並保持電路最基本會包含一個儲存能量的元件和一 個能控制訊號進出的開關。而具有儲存特性的電子元件不外乎是電感和電容，在 實際應用上儲存電壓在電容上又比儲存電流在電感上容易的多，因此幾乎所有的 取樣並保持電路都是使用電容來作儲能元件。

整個取樣並保持電路的動作主要分為兩個部份：分別是取樣模式(Sample Mode)和保持模式(Hold Mode)。在取樣模式時，輸入訊號經過開啟的閘門開關對 電容 Ch 充電，並使的輸出追隨輸入而變化；而在保持模式時，閘門開關關閉，

取樣電容 Ch 因為電荷的積聚而保持在開關即將關上前的電壓準位，如此一來，

便對輸入訊號完成取樣及保持的動作。在實際的電路應用當中，由於取樣電容 Ch 所儲存的電荷往往會因為後級電路寄生電容的彼此耦合而使得電荷流失造成 取樣到的輸入電壓產生變化；所以整個取樣並保持電路前後往往會加上緩衝器以 隔絕前後電路對儲存在電容中電荷的影響，讓儲存的電荷不至於流失而影響電壓 的準確取樣，如圖 3.2。

圖 3.2 取樣並保持電路架構圖

為了正確及有效的對取樣並保持電路的特性及性能有所定義和規範，我們必 須先對於公認且基本的參數有一定的認識，以便用來界定一個取樣並保持電路的 效能[2][12]：

圖 3.3 取樣並保持電路行為示意圖

確認時間(Acquisition time，Tacq)：

如圖 3.3 所示，確認時間是指當取樣並保持電路接收到取樣指令後；其 輸出點的擺幅為最大時(full-scale)從開始直到穩定(即使有一段固定差值)所 需要的時間。確認時間通常由輸入及輸出兩組緩衝器的回覆(recovery delay) 時間、開關 S 的開啟阻抗(turn-on resistance)、及 Ch 所決定。

穩定時間(Hold Settling Time，Ths)：

如圖 3.3 所示，穩定時間是指當取樣並保持電路接收到保持指令後；開 始逐漸穩定至一電壓值所需的時間，而當最後穩定時仍會有一段誤差量。穩 定時間通常是由取樣電路後半段的緩衝器的穩定時間所決定。

衰退率(Droop Rate)：

如圖 3.3 所示，在保持模式時，理論上所有的電荷儲存在電容 Ch 上；

當電荷透過某些寄生路徑流失時；取樣電壓也會發生偏移。而這一些漏電行 為往往和電路的輸出級緩衝器偏壓電流及電容 Ch 有關。

基底誤差(Pedestal Error)：

在取樣電路進入保持狀態時，所儲存的電壓和理想電壓的誤差量；通常 這一項誤差由電晶體開關 S 在關閉時，其電荷注入效應對電容 Ch 所構成。

如圖 3.4 所示，當電晶體關閉時，存在電晶體通道內的電荷 Qch 將會有部份 注入到取樣電容 Ch 中，影響取樣到的輸入電壓值。

圖 3.4 電荷注入效應

非線性誤差(Nonlinearity Error)：

相似於類比數位轉換器的 INL/DNL，非線性誤差所定義的為取樣電路 輸入輸出及其理想上所對應構成的直線最大的誤差量，如圖 3.5 中所示。非 線性誤差通常來自於輸入輸出緩衝器的非線性，電晶體開關 S 對於電容 Ch 的電荷注入效應(charge-injection)的非線性，即隨著輸入電壓不同對於會有 不同開關 S 的開啟阻抗(turn-on resistance)。

增益誤差(Gain error)：

圖 3.5 中直線 AB 的斜率和理想轉換曲線斜率(通常為一)的差異。

圖 3.5 取樣並保持電路非線性示意圖

保持模式反饋(Hold-mode feedthrough)：

由於電晶體開關 S 本身具有寄生的電容(Cgs 或 Cgd)；即使當電晶體關 閉時，輸入信號仍然會透過寄生電容對電容 Ch 所儲存的電荷造成影響，進 而使取樣到的輸入電壓產生偏移。

動態範圍(Dynamic Range)：

在一定的準確度下(容許的保持電壓誤差量)，取樣電路可以取樣到最大 的和最小的信號功率上的比值。

間隙抖動(Aperture Jitter)：

在 Hold 動作應該開始執行的時候，因為電晶體開關的非理想因素(Vt 的存在)，使得真正關閉的時間點與理想之間有所誤差，而這一段誤差時間 往往是隨機的，如圖 3.6。

圖 3.6 取樣點非線性 訊號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)：

SNR 是指輸出端上信號功率和整個雜訊功率(不含諧波功率)的比值，通 常量測信號為弦波。SNR 的限制通常是由前後兩組緩衝器及電晶體開關 S 的間隙抖動所決定。

無寄生動態範圍(Spurious-Free Dynamic Range，SFDR)：

SFDR 是指輸出端主訊號功率和最大諧波功率的比值，單位是 dB。

訊號雜訊及失真比(Signal-to-Noise and Distortion Ratio，SNDR)：

SNDR 是指輸出端上信號功率和整個雜訊功率及諧波項功率總和的比 值，通常量測信號為弦波。SNDR 的限制通常是由前後兩組緩衝器及其非線 性因素和電晶體開關 S 的電荷注入效應(charge-injection)所決定。