включенном состоянии образует в сочетании с этим конденсатором фильтр низких частот. В связи с этим Схр должен быть небольшой емкости, тогда высокочастотные сигналы, проходящие на выход схемы при замкнутом ключе, не будут искажаться.
ОУ1 должен обеспечивать ток заряда конденсатора равный I = C(dU/dt) и должен обладать достаточной скоростью нарастания для повторения входного сигнала. На практике скорость нарастания всей схемы обычно ограничивается выходным током первого ОУ и сопротивлением ключа во включенном состоянии.
ОУ1 управляет емкостной нагрузкой. Поэтому используются операционные усилители, обладающие стабильностью при единичном коэффициенте усиления и большой емкостной нагрузке (до 0,1 мкФ).
Заметьте, что схема на рис. 15 имеет общую отрицательную обратную связь (ООС): с выхода ОУ2 на инвертирующий вход ОУ1. Когда ключ замкнут, потенциал выхода ОУ1, вследствие действия ООС, устанавливается таким, что Uвых отличается от Uвх на величину напряжения смещения ОУ2. При этом смещение, возникающее из-за наличия ключа и ОУ2 компенсируется. Диоды D1 и D2 в этом состоянии заперты, так как напряжение на них, равное указанному смещению, достаточно мало (1-20 мВ).
При размыкании ключа управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R1 и диоды предотвращают насыщение ОУ1, которое могло бы возникнуть из-за разрыва петли ООС в этом режиме. Резистор R2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.
К точностным характеристикам УВХ относится напряжение смещения нуля, определяемое смещением ОУ1 (обычно не очень велико, в пределах 5 мВ, если применяется ОУ с биполярными транзисторами на входе) и дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости конденсатора хранения (для различных УВХ от 10-3 до 10-1 В/с при емкости Схр = 1000 пФ). Величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости Схр. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.
К динамическим характеристикам УВХ относят: время выборки, показывающее как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения с заданным уровнем допуска; и апертурную задержку — период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием ключа.
Существует множество интегральных схем выборки-хранения, обладающих хорошими характеристиками. Ряд схем включает в себя внутренний конденсатор хранения и гарантирует максимальное время выборки в десятки или сотни наносекунд при точности 0,01 % для сигнала величиной 10 В. Величина апертурной задержки для популярных УВХ не превышает 100 нс.
Проблемы выбора конденсаторов для построения схем выборки-хранения. Конденсаторам присущи недостатки. Прежде всего, это утечка (отличное от бесконечного параллельное сопротивление), последовательное сопротивление и индуктивность, ненулевой температурный коэффициент емкости. Реже вспоминают про диэлектрическое поглощение (ДП) — явление, которое очень сильно проявляет себя в следующей ситуации: возьмем конденсатор большой емкости, заряженный до напряжения в несколько вольт, и быстро его разрядим, подключив к выводам резистор сопротивлением в несколько десятков Ом. Удалим резистор и понаблюдаем за напряжением на конденсаторе с помощью вольтметра с большим входным сопротивлением. Напряжение на конденсаторе будет восстанавливаться, и за несколько секунд достигнет примерно 5-10 % от величины начального напряжения.
Данное явление недостаточно изучено. Полагают, что оно связано с остаточной поляризацией диэлектрического вещества между обкладками конденсатора. Особенно плохим в этом отношении является такой диэлектрик, как слюда с присущей ей слоистой структурой. С точки зрения схемы добавочная поляризация проявляет себя так, как если бы к выводам конденсатора подключили ряд последовательных RC-цепочек с постоянными времени в диапазоне от микросекунд до нескольких секунд. Этот неприятный эффект может порождать серьезные ошибки в УВХ, интеграторах и других аналоговых схемах, которые рассчитаны на идеальные характеристики конденсаторов.
По свойству ДП диэлектрики конденсаторов существенно отличаются друг от друга. Поэтому конденсаторы нужно выбирать как можно тщательней (с этой точки зрения наилучшим диэлектриком является фторопласт). В особых случаях можно прибегнуть к компенсационным схемам, в которых влияние диэлектрического поглощения электрически устраняют с помощью тщательно настроенных RC-цепочек, включенных в комплекс с запоминающим конденсатором. Этот метод очень сложен в расчете и иногда используется в высококачественных модулях УВХ.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис. 16. По своему принципу работы данная схема не отличается от рассмотренной ранее схемы УВХ К1100CК2 (рис. 16). В основе схемы лежат два повторителя напряжения: на ОУ DA1 реализован входной, а на DA2 — выходной повторитель. Применены операционные усилители К544УД2 с внутренними цепями частотной коррекции, имеющие вход на полевых транзисторах с очень высоким (свыше 1 ГОм) входным сопротивлением. Данные ОУ характеризуются очень низким уровнем собственных шумов.
Рис. 16. Принципиальная схема макета лабораторной установки
Вся схема охвачена отрицательной обратной связью через резистор R2, позволяющей скомпенсировать напряжение смещения ОУ DA2. Диоды VD3 и VD4 так же, как и в схеме на рис. 15, служат для предотвращения насыщения ОУ DA1 при размыкании ключа DD1.1.
В качестве ключа используется один из четырех аналоговых двунаправленных ключей, размещенных в корпусе микросхемы К176КТ1. Данный ключ способен коммутировать двуполярные сигналы, так как он оснащен входом для подключения источника отрицательного напряжения питания к подложке (на схеме не показан). Для данного ключа паспортная величина сопротивления открытого канала менее 500 Ом, неидентичность сопротивлений каналов в пределах одного корпуса не превышает 10 Ом. При нагрузке 10 кОм на частоте 10 кГц отношение сигналов на выходе ключа в замкнутом и разомкнутом состоянии должно превышать 65 дБ. Сопротивление разомкнутого ключа достигает 100 ГОм.
Конденсатор хранения С7* подключается к специальным подпружиненным контактам на плате, что позволяет быстро его заменять. Конденсаторы С1-С6, С8-С11 служат для фильтрации напряжения питания и защиты ОУ от помех. Диоды VD1 и VD2 предохраняют схему от подключения напряжения питания в обратной полярности. VD5 и VD6 служат защитой входа управления от подачи на него управляющего напряжения, превышающего напряжение источника питания, либо отрицательного напряжения (естественно, в обоих случаях необходимо сделать поправку на величину падения напряжения на диоде). Резистор R1 обеспечивает уровень лог. 0 на неподключенном входе управления, исключая включение ключа от сигнала помехи, наведенного на этот вход.
Устройство питается от двуполярного источника стабилизированного напряжения ±15 В, подключаемого к разъему Х2. На входной разъем X1 допустимо подавать сигналы, не превышающие напряжения источника питания минус 2 В. К выходу схемы Х3 может быть подключена любая нагрузка сопротивлением не менее 1 кОм и емкостью не более 0,1 мкФ. На вход управления Х4 допустима подача управляющих сигналов КМОП-логики, работающей от напряжения источника питания 15 В.
Внимание: все подключения, а также замена конденсатора хранения С7* должны осуществляться только при выключенных источниках питания, входного сигнала и сигнала управления. Включение макета осуществляется в следующей последовательности: напряжение питания, входное напряжение, сигнал управления. Выключение производится в обратной последовательности.
ЗАДАНИЯ
