引言和歷史回顧

采樣保持放大器或SHA是大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它捕捉模擬信號(hào)并在某些操作（最常見(jiàn)的是模數(shù)轉(zhuǎn)換）中保持信號(hào)不變。SHA對(duì)相關(guān)電路的要求非常高，電容和印刷電路板等普通組件的某些特性可能會(huì)意想不到地降低SHA性能。

當(dāng)SHA配合ADC使用時(shí)（外置或內(nèi)置），SHA性能對(duì)該組合的整體動(dòng)態(tài)性能至關(guān)重要，在確定系統(tǒng)的SFDR、SNR等參數(shù)方面起著重要作用。

雖然今天的SHA功能已經(jīng)集成到采樣ADC中，但了解其基本工作原理對(duì)于了解ADC動(dòng)態(tài)性能十分重要。

當(dāng)采樣保持器處于采樣（或跟蹤）模式時(shí)，輸出跟隨輸入而變化，二者之間僅存在很小的電壓偏差。但也有輸出在采樣模式下不完全跟隨輸入的SHA，其輸出僅在保持期間是精確的（如AD684、AD781和AD783）。本文不考慮這種情況。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，具有良好跟蹤性能的采樣保持器應(yīng)被稱為跟蹤保持電路，但在實(shí)際應(yīng)用中，這些術(shù)語(yǔ)可以互換使用。

SHA的最常見(jiàn)應(yīng)用是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間將ADC的輸入保持為恒定值。對(duì)于許多（但不是全部）類型的ADC，為避免轉(zhuǎn)換過(guò)程被破壞，轉(zhuǎn)換期間輸入的變化不得大于1 LSB，這就對(duì)此類ADC設(shè)置了非常低的輸入頻率限值，或者要求采用SHA以保持每次轉(zhuǎn)換期間的輸入不變。

回顧歷史，一個(gè)有趣的事實(shí)是：A. H. Reeves在其著名的PCM專利（1939，參考文獻(xiàn)1）中描述了一個(gè)5位6 kSPS計(jì)數(shù)ADC，模擬輸入信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)真空管脈寬調(diào)制器(PWM)，采樣功能集成于PWM中。貝爾實(shí)驗(yàn)室隨后對(duì)PCM進(jìn)行了研究，引入了電子束編碼器管和逐次逼近型ADC；參考文獻(xiàn)2 (1948)描述了一個(gè)基于脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路的配套50 kSPS真空管采樣保持電路。

在1950年代后期和1960年代早期，隨著晶體管取代真空管，人們更加關(guān)注ADC所用的采樣保持電路。1964年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Gray和Kitsopolos發(fā)表了最早對(duì)固態(tài)采樣保持器產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析的文章之一（參考文獻(xiàn)3）。貝爾實(shí)驗(yàn)室的Edson和Henning描述了在一個(gè)224 Mbps PCM系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，該系統(tǒng)包括一個(gè)9位ADC和一個(gè)配套的12 MSPS采樣保持器。參考文獻(xiàn)4、5和6是1960年代和1970年代早期采樣保持電路研究成果的代表之作。

1969年，ADI公司新收購(gòu)的Pastoriza部門率先推出商用采樣保持器SHA1和SHA2。電路在PC板上實(shí)現(xiàn)，SHA1的0.01%采集時(shí)間為2 μs，功耗0.9 W，成本約為$225；SHA2速度更快，0.01%采集時(shí)間為200 ns，功耗1.7 W，成本約為$400。兩款器件專門配合同樣在PC板上實(shí)現(xiàn)的12位逐次逼近型ADC工作。

模塊化和混合技術(shù)迅速淘汰了PC板采樣保持器，而隨著IC ADC的上市，如工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AD574等，對(duì)采樣保持器的需求漸增。上世紀(jì)70年代和80年代早期，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師購(gòu)買獨(dú)立的采樣保持器來(lái)驅(qū)動(dòng)此類ADC是相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的工藝技術(shù)還無(wú)法將它們集成在同一芯片上。IC SHA，如AD582 （0.01%采集時(shí)間為4 μs）、AD583 （0.01%采集時(shí)間為6 μs）和AD585 （14位精度的采集時(shí)間為3 μs）等，服務(wù)于上世紀(jì)70年代和80年代的低速市場(chǎng)。

混合SHA，如HTS-0025（0.1%采集時(shí)間為25 ns）、HTC-0300（0.01%采集時(shí)間為200 ns）和AD386（16位精度的采集時(shí)間為25 μs）等，則服務(wù)于高速高端市場(chǎng)。到1995年，ADI公司針對(duì)各種應(yīng)用推出了大約20款采樣保持產(chǎn)品，包括下列高速IC：AD9100/AD9101（0.01%采集時(shí)間為10 ns）、AD684 （四通道、0.01%采集時(shí)間為1 μs）和AD783 （0.01%采集時(shí)間為250 ns）。

然而，同時(shí)期的ADC技術(shù)迅猛發(fā)展，許多ADC都已內(nèi)置SHA（即采樣ADC），因而更容易指定，當(dāng)然也更容易使用。新工藝的開(kāi)發(fā)，包括高速互補(bǔ)雙極性工藝和先進(jìn)的CMOS工藝，使得集成SHA功能成為可能。事實(shí)上，現(xiàn)在（2003年）采樣ADC已經(jīng)非常普及并大受歡迎，很少有人需要獨(dú)立的SHA。

除了尺寸更小、成本更低和外部元件更少等明顯的優(yōu)勢(shì)以外，采樣ADC還有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，那就是整體直流和交流性能已完全明確，設(shè)計(jì)人員不必像對(duì)待分立ADC與分立SHA的組合那樣需要確保不存在規(guī)格、接口或時(shí)序問(wèn)題。當(dāng)考慮SFDR和SNR等動(dòng)態(tài)特性時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)尤為可貴。

SHA絕大部分時(shí)候是與ADC一起使用，但偶爾也會(huì)用于DAC限變器、峰值檢波器、模擬延遲電路、同步采樣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)。

SHA基本工作原理

無(wú)論SHA的電路細(xì)節(jié)或類型如何，所有此類器件都包括四個(gè)主要部分：輸入放大器、能量存儲(chǔ)元件（電容）、輸出緩沖器和開(kāi)關(guān)電路，如圖1的典型配置所示。

圖1：基本采樣保持電路

SHA的核心——能量存儲(chǔ)元件是電容。輸入放大器緩沖輸入，向信號(hào)源提供高阻抗，并提供電流增益來(lái)給保持電容充電。在跟蹤模式下，保持電容上的電壓跟隨（或跟蹤）輸入信號(hào)（有一定的延遲和帶寬限制）。在保持模式下，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電容保持與輸入緩沖器斷開(kāi)連接之前的電壓。輸出緩沖器向保持電容提供高阻抗，防止保持電壓過(guò)早放電。開(kāi)關(guān)電路及其驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成SHA交替處于跟蹤和保持模式的切換機(jī)制。

描述SHA基本操作的規(guī)格有四組：跟蹤模式、跟蹤轉(zhuǎn)保持、保持模式、保持轉(zhuǎn)跟蹤。圖2總結(jié)了這些規(guī)格，圖3以圖解方式顯示了SHA的一些誤差源。由于每種模式同時(shí)涉及到直流和交流性能，因此要正確指定SHA并了解其在系統(tǒng)中的操作是一件很復(fù)雜的事情。

圖2：采樣保持器規(guī)格

圖3：采樣保持器的一些誤差源

跟蹤模式規(guī)格

在采樣（或跟蹤）模式下，SHA只是一個(gè)放大器，因此這種模式下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性與任何其它放大器相似。（在跟蹤模式下性能下降的SHA一般僅指定保持模式下的特性。）跟蹤模式下的主要規(guī)格包括：失調(diào)、增益、非線性、帶寬、壓擺率、建立時(shí)間、失真和噪聲。然而，失真和噪聲在跟蹤模式下一般不如在保持模式下重要。

跟蹤轉(zhuǎn)保持模式規(guī)格

當(dāng)SHA從跟蹤切換到保持時(shí)，由于開(kāi)關(guān)的非理想特性，一般會(huì)有少量電荷釋放在保持電容上。這會(huì)導(dǎo)致保持模式直流失調(diào)電壓，稱為基底誤差，如圖4所示。如果SHA驅(qū)動(dòng)ADC，基底誤差表現(xiàn)為直流失調(diào)電壓，可以通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)予以消除。如果基底誤差與輸入信號(hào)電平相關(guān)，則由此產(chǎn)生的非線性會(huì)增加保持模式下的失真。

通過(guò)提高保持電容的值，相應(yīng)地延長(zhǎng)采集時(shí)間并降低帶寬和壓擺率，可以減小基底誤差。

從跟蹤切換到保持會(huì)產(chǎn)生瞬變，SHA輸出建立到額定誤差帶范圍以內(nèi)所需的時(shí)間稱為保持模式建立時(shí)間。偶爾也會(huì)規(guī)定開(kāi)關(guān)瞬變的峰值幅度。

圖4：跟蹤轉(zhuǎn)保持模式的基底、瞬變和建立時(shí)間誤差

在SHA的技術(shù)規(guī)格中，容易誤解、經(jīng)常濫用的可能是那些包含孔徑的規(guī)格。SHA最基本的動(dòng)態(tài)特性是它能夠快速斷開(kāi)保持電容與輸入緩沖放大器的連接，這一動(dòng)作所需的極短（但非零）時(shí)間間隔稱為孔徑時(shí)間。SHA內(nèi)部時(shí)序的各種相關(guān)量如圖5所示。

圖5：說(shuō)明內(nèi)部時(shí)序的SHA電路

此間隔結(jié)束時(shí)保持電壓的實(shí)際值取決于輸入信號(hào)和開(kāi)關(guān)操作本身引入的誤差。圖6顯示對(duì)一個(gè)任意斜率的輸入信號(hào)應(yīng)用保持命令時(shí)的情況（為清楚起見(jiàn)，忽略采樣轉(zhuǎn)保持基底和開(kāi)關(guān)瞬變）。最終保持的值是輸入信號(hào)的延遲版本，并且是開(kāi)關(guān)孔徑時(shí)間范圍內(nèi)的平均值，如圖6所示。該一階模型假設(shè)，保持電容上的最終電壓值約等于應(yīng)用于開(kāi)關(guān)的信號(hào)在開(kāi)關(guān)從低阻抗變?yōu)楦咦杩沟臅r(shí)間間隔(ta)內(nèi)的平均值。

圖6：SHA波形

該模型顯示，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)所需的有限時(shí)間(ta)相當(dāng)于在驅(qū)動(dòng)SHA的采樣時(shí)鐘中引入一個(gè)小延遲。此延遲為常數(shù)，可以是正值，也可以是負(fù)值，稱它為有效孔徑延遲時(shí)間、孔徑延遲時(shí)間或孔徑延遲(te)，定義為前端緩沖器的模擬傳播延遲(tda)與開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器數(shù)字延遲(tdd)的時(shí)間差加上孔徑時(shí)間的一半(ta/2)。有效孔徑延遲時(shí)間通常為正值，但如果孔徑時(shí)間的一半(ta/2)與開(kāi)關(guān)數(shù)字延遲(tdd)之和小于通過(guò)輸入緩沖器的傳播延遲(tda)，則它也可以是負(fù)值。因此，孔徑延遲規(guī)格確定了輸入信號(hào)相對(duì)于采樣時(shí)鐘沿的實(shí)際采樣時(shí)間。

孔徑延遲時(shí)間可以通過(guò)如下方法來(lái)測(cè)量：對(duì)SHA應(yīng)用一個(gè)雙極性正弦波信號(hào)，然后調(diào)整同步采樣時(shí)鐘延遲時(shí)間，使得SHA的輸出在保持期間為0，輸入采樣時(shí)鐘沿與輸入正弦波實(shí)際零交越點(diǎn)之間的相對(duì)延遲即為孔徑延遲時(shí)間，如圖7所示。

圖7：有效孔徑延遲時(shí)間

孔徑延遲不產(chǎn)生誤差，但會(huì)在采樣時(shí)鐘輸入或模擬輸入（取決于其符號(hào)）中起固定延遲作用。如果孔徑延遲中存在樣本間變化（孔徑抖動(dòng)），則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓誤差，如圖8所示。在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)刻，這種樣本間變化稱為孔徑不確定性或孔徑抖動(dòng)，通常用均方根皮秒(ps rms)來(lái)衡量。相應(yīng)輸出誤差的幅度與模擬輸入的變化速率有關(guān)。針對(duì)既定的孔徑抖動(dòng)值，孔徑抖動(dòng)誤差隨著輸入dv/dt提高而提高。

圖8：孔徑或采樣時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)SHA輸出的影響

測(cè)量SHA的孔徑抖動(dòng)誤差需要無(wú)抖動(dòng)的采樣時(shí)鐘和模擬輸入信號(hào)源，因?yàn)檫@些信號(hào)上的抖動(dòng)無(wú)法與SHA孔徑抖動(dòng)本身區(qū)別開(kāi)來(lái)，抖動(dòng)的影響是相同的。事實(shí)上，系統(tǒng)中的最大時(shí)序抖動(dòng)誤差源往往在SHA（或采樣ADC）之外，由于高噪聲或不穩(wěn)定的時(shí)鐘、信號(hào)布線不當(dāng)以及沒(méi)有采用良好的接地和去耦技術(shù)而導(dǎo)致。SHA孔徑抖動(dòng)一般小于50 ps rms，高速器件則小于5 ps rms。關(guān)于測(cè)量ADC孔徑抖動(dòng)的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)11的第5章。

圖9顯示了總采樣時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)信噪比(SNR)的影響?？偩礁秳?dòng)由多個(gè)部分組成，實(shí)際SHA孔徑抖動(dòng)常常是最不重要的一個(gè)部分。

圖9：采樣時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)SNR的影響

保持模式規(guī)格

在保持模式下，保持電容、開(kāi)關(guān)和輸出放大器的缺陷會(huì)引起誤差。如果有漏電流流入或流出保持電容，電容會(huì)緩慢充電或放電，其電壓將發(fā)生圖10所示的變化，這種效應(yīng)稱為SHA輸出電壓下降，用V/μs表示。壓降可能由污穢PC板的泄漏（使用外部電容時(shí)）或易泄漏的電容引起，但最常見(jiàn)的原因是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的漏電流和輸出緩沖放大器的偏置電流?？梢越邮艿膲航抵凳牵涸谒?qū)動(dòng)的ADC轉(zhuǎn)換期間，SHA的輸出變化幅度不超過(guò)? LSB；但該值高度依賴于ADC架構(gòu)。如果壓降是由反偏結(jié)（CMOS開(kāi)關(guān)或FET放大器柵極）的漏電流引起，則芯片溫度每升高10°C，它就會(huì)提高一倍，這意味著從+25°C到+125°C，壓降會(huì)提高1000倍。

通過(guò)提高保持電容的值可以降低壓降，但這也會(huì)延長(zhǎng)采集時(shí)間并降低跟蹤模式下的帶寬。在作為ADC一部分的現(xiàn)代IC采樣保持電路中，常常利用差分技術(shù)來(lái)減小壓降效應(yīng)。

圖10：保持模式壓降

當(dāng)SHA使用小保持電容時(shí)，即使很小的漏電流也可能引起嚴(yán)重的壓降。PCB的漏電流可以通過(guò)巧妙地使用保護(hù)環(huán)而最小化。保護(hù)環(huán)是一個(gè)由導(dǎo)體構(gòu)成的環(huán)，它包圍一個(gè)敏感節(jié)點(diǎn)并處于等電位。由于其間沒(méi)有電壓，因此不會(huì)有漏電流流動(dòng)。在同相應(yīng)用中，如圖11所示，必須將保護(hù)環(huán)驅(qū)動(dòng)到正確的電位，但虛地上的保護(hù)環(huán)可以處于實(shí)際的地電位（圖12）。PCB材料的表面電阻遠(yuǎn)低于其體電阻，因此PCB兩端必須都放上保護(hù)環(huán)；在多層板上，所有層都應(yīng)當(dāng)有保護(hù)環(huán)。

圖11：用與保持電容相同的電壓驅(qū)動(dòng)防護(hù)罩以降低電路板泄漏

圖12：在虛地SHA設(shè)計(jì)上使用防護(hù)罩

SHA保持電容的泄漏必須很低，但還有一個(gè)特性也同樣重要，這就是“低電介質(zhì)吸收”。如果一個(gè)電容充電、放電然后開(kāi)路，它會(huì)恢復(fù)一些電荷，如圖13所示。這種現(xiàn)象稱為“電介質(zhì)吸收”，它會(huì)導(dǎo)致上一個(gè)樣本的殘余部分污染新樣本，并且可能引入數(shù)十甚至數(shù)百mV的隨機(jī)誤差，因此可能會(huì)使SHA的性能嚴(yán)重降低。

圖13：電介質(zhì)吸收

不同的電容材料具有不同的電介質(zhì)吸收量，電介質(zhì)電容最糟糕（泄漏也很高），某些高K陶瓷電容也很差，但云母、聚苯乙烯和聚丙烯電容一般較好。遺憾的是，產(chǎn)品批次不同，電介質(zhì)吸收也會(huì)有所不同，有時(shí)連聚苯乙烯和聚丙烯電容也可能受批次影響。因此，購(gòu)買用于SHA應(yīng)用的電容時(shí)，增加30-50%的預(yù)算是明智的，并且應(yīng)當(dāng)購(gòu)買制造商保證它具有低電介質(zhì)吸收的器件，而不是購(gòu)買一般認(rèn)為它具有這種特性的某類電容。

SHA的雜散電容可能會(huì)讓少量交流輸入在保持期間耦合到輸出，這種效應(yīng)稱為饋通，取決于輸入頻率和幅度。如果饋通到SHA輸出的信號(hào)幅度大于? LSB，ADC就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。

許多SHA中，失真僅在跟蹤模式下規(guī)定。跟蹤模式失真常常遠(yuǎn)優(yōu)于保持模式失真。跟蹤模式失真不包括開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)引起的非線性，當(dāng)驅(qū)動(dòng)ADC時(shí)，可能無(wú)法反映SHA的性能?，F(xiàn)代SHA，特別是高速SHA，通常規(guī)定兩種模式下的失真。跟蹤模式失真可以利用模擬頻譜分析儀測(cè)量，但保持模式失真應(yīng)當(dāng)利用圖14所示的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。將一個(gè)頻譜純凈的正弦波應(yīng)用于SHA，一個(gè)低失真高速ADC在保持時(shí)間快要結(jié)束時(shí)對(duì)SHA輸出進(jìn)行數(shù)字化。然后對(duì)ADC輸出執(zhí)行FFT分析，并計(jì)算失真成分。

圖14：測(cè)量保持模式失真

在跟蹤模式下，SHA噪聲的規(guī)定和測(cè)量與放大器相似。峰峰值保持模式噪聲利用示波器測(cè)量，然后除以6.6轉(zhuǎn)換成均方根值。保持模式噪聲可以用頻譜密度(nV/√Hz)來(lái)表示，或者用額定帶寬內(nèi)的均方根值來(lái)表示。除非另有說(shuō)明，保持模式噪聲必須與跟蹤模式噪聲合并以得出總輸出噪聲。有些SHA規(guī)定的是總輸出保持模式噪聲，其中包括跟蹤模式噪聲。

保持轉(zhuǎn)跟蹤模式規(guī)格

當(dāng)SHA從保持切換到跟蹤時(shí)，它必須重新獲取輸入信號(hào)（輸入信號(hào)在保持模式期間可能已經(jīng)發(fā)生滿量程躍遷）。獲取時(shí)間是指SHA從保持切換到跟蹤時(shí)，重新獲取信號(hào)并達(dá)到目標(biāo)精度所需的時(shí)間間隔。該時(shí)間間隔開(kāi)始于采樣時(shí)鐘沿的50%點(diǎn)，結(jié)束于SHA輸出電壓落在額定誤差帶以內(nèi)時(shí)（通常規(guī)定0.1%和0.01%時(shí)間）。某些SHA還規(guī)定相對(duì)于保持電容電壓的獲取時(shí)間，而忽略輸出緩沖器的延遲和建立時(shí)間。保持電容獲取時(shí)間規(guī)格適用于高速應(yīng)用，在這種應(yīng)用中，必須為保持模式分配可能的最長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)然，輸出緩沖器建立時(shí)間必須顯著小于保持時(shí)間。

獲取時(shí)間可以利用現(xiàn)代數(shù)字采樣示波器(DSO)或數(shù)字熒光示波器(DPO)直接測(cè)量，這些示波器對(duì)大過(guò)驅(qū)不敏感。

SHA架構(gòu)

像運(yùn)算放大器一樣，SHA架構(gòu)有許多種，我們將討論最常見(jiàn)的幾種架構(gòu)。最簡(jiǎn)單的SHA結(jié)構(gòu)如圖15所示。輸入信號(hào)由放大器緩沖，然后施加于開(kāi)關(guān)。輸入緩沖器可以是開(kāi)環(huán)或閉環(huán)，可以提供或不提供增益。開(kāi)關(guān)可以是CMOS、FET或雙極性（使用二極管或晶體管），由開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路控制。保持電容上的信號(hào)由輸出放大器緩沖。有時(shí)將這種架構(gòu)稱為開(kāi)環(huán)架構(gòu)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)不在反饋環(huán)路之內(nèi)。注意，全部信號(hào)電壓均施加于開(kāi)關(guān)，因此它必須具有出色的共模特性。