Sample-and-Hold-Schaltung

Eine Sample-and-Hold-Schaltung (kurz: S&H), im Deutschen auch als Abtast-Halte-Glied bzw. Abtast-Halte-Schaltung bzw. Momentanwertabtastung bezeichnet, ist eine elektronische Vorrichtung die es erlaubt, analoge Spannungswerte kurzzeitig auf einem definierten Wert zu halten. Wichtige Kenngrößen sind Einstellzeit, maximale Anstiegsgeschwindigkeit und Haltedrift.

Anwendungen

Signalverlauf einer Sample-and-Hold-Schaltung 0. Ordnung, in rot dargestellt. In grau das analoge Eingangssignal

Im eingeschalteten Zustand folgt die Ausgangsspannung der Sample-and-Hold-Schaltung der Eingangsspannung. Im ausgeschalteten Zustand hält die Sample-and-Hold-Schaltung mit 0. Ordnung den Wert, den die Eingangsspannung im Augenblick des Abschaltens hatte, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Sample-and-Hold-Schaltungen mit höherer Ordnung können auch andere Werte als einen Momentanwert liefern. Beispielsweise liefert eine Sample-and-Hold-Schaltung 1. Ordnung den arithmetischen Mittelwert der analogen Eingangsspannung im Messintervall.

Die Schaltung wird meist vor einem Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt, welcher die Quantisierung durchführt. Aber auch zur Synchrondemodulation von Signalen. In praktischen Analog-Digital-Umsetzern ist die Sample-and-Hold-Schaltung meist integriert, wodurch ein niedrigerer Preis, ein geringerer Platzbedarf und eine gemeinsame Spezifikation beider Komponenten gewährleistet wird.

Der Einsatz einer Abtast-Halte-Schaltung erlaubt eine korrekte Wandlung auch bei schnellen Änderungen der Eingangsspannung, die ohne Abtast-Halte-Schaltung zu falschen Wandlungsergebnissen führen würden. Nur bei sich – verglichen mit der Konversionsdauer – sehr langsam ändernden Spannungen kann gegebenenfalls auf die Abtast-Halte-Schaltung verzichtet werden.

Wenn die Sample-Frequenz unter der doppelten Frequenz der Messspannung liegt, spricht man von Unterabtastung. Die Schaltung entspricht dann einem Abwärts-Mischer der Hochfrequenztechnik.

Im Synchrondemodulator kann man extrem geringe Wechselspannung bekannter Frequenz messen, wenn man die Eingangsspannung mit einer S&H-Schaltung nur dann abtastet, wenn die zu messende Spannung den Maximalwert erreicht haben müsste. Störspannungen zu anderen Zeitpunkten werden dann ignoriert.

Aufbau und Wirkungsweise

Schematische Anordnung eines Abtast-Halte-Gliedes

Das zentrale Element der Abtast-Halte-Schaltung ist ein Kondensator. Er hält in der Haltephase die Ausgangsspannung auf einem möglichst konstanten Wert. Hinzu kommt ein elektronischer Schalter, welcher die Abtast- und Haltephase bestimmt.

Ist der Schalter geschlossen, wird der Kondensator über einen Impedanzwandler aufgeladen. Der Impedanzwandler verhindert eine zu hohe Belastung der Spannungsquelle und damit eine Verfälschung des Messergebnisses. Um die Spannung am Ausgang möglichst lange erhalten zu können, wird dem Kondensator ein Spannungsfolger nachgeschaltet.

Nach Schließen des Schalters steigt die Ausgangsspannung nicht sofort auf den Wert der Eingangsspannung, sondern nur mit einer begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate). Diese wird durch den maximalen Ausgangsstrom des Impedanzwandlers und die Größe des Kondensators bestimmt. Hat die Spannung am Kondensator den Wert der Eingangsspannung erreicht, beginnt ein Einschwingvorgang. Die Dauer des Einschwingvorgangs wird maßgeblich durch die Dämpfung des Impedanzwandlers und den Widerstand des Schalters im geschlossenen Zustand bestimmt. Die Zeit, die benötigt wird, bis die Ausgangsspannung auf den Wert der Eingangsspannung innerhalb der vorgegebenen Toleranz $\epsilon$ schwingt, wird als Einstellzeit t_E (Acquisition Time) bezeichnet.

$t_E = R_\text{Schalter} \cdot C \cdot \begin{cases} 4{,}6 & \text{mit}\ \epsilon = 0,01 \\ 6{,}9 & \text{mit}\ \epsilon = 0{,}001 \\ \end{cases}$

Ist der Schalter geöffnet, hält der Kondensator bzw. der Spannungsfolger die Ausgangsspannung auf dem Wert, der vor dem Öffnen am Eingang anlag.

Die Zeit, die benötigt wird, um in den Halte-Zustand zu wechseln, wird Aperture-Zeit ${}_{t_A}$ (Aperture Delay) bezeichnet. Die Aperture-Zeit schwankt bedingt durch Variationen im Verhalten des Schalter. Die Schwankungen werden als Aperture-Jitter ${}_{\Delta t_A}$ bezeichnet.

Nichtideales Verhalten

Aufgrund verschiedener Störeinflüsse weicht das Verhalten realer Sample-and-Hold-Schaltungen vom idealen Verhalten ab. Hier ein kurze Liste der zu beobachtenden Effekte.

• Droop oder Haltedrift

Die wichtigste Größe im Haltezustand ist die Haltedrift (Droop). Sie wird durch den Entladestrom ${}_{I_L}$ des Kondensators bestimmt, der sich aus dem Sperrstrom des Schalters, dem Eingangsstrom des Impedanzwandlers und dem Selbstentladestrom des Kondensators zusammensetzt.

$\frac{\Delta U_a}{\Delta t} = \frac{I_L}{C}$

Während sich bei der Einstellzeit ein kleiner Kondensator positiv auswirkt, wirkt sich ein kleiner Kondensator im Falle der Entladung über den Schalter und den Spannungsfolger am Ausgang negativ aus. Hier gilt es, zur Bestimmung des idealen Werts des Kondensators, genau zwischen den Vor- und Nachteilen abzuwägen, und einen geeigneten Kompromiss zu erzielen.

• Hold Step

Die Ausgangsspannung ${}_{U_a}$ bleibt beim Umschalten in den Halte-Zustand nicht unbedingt auf dem aktuellen Wert der Eingangsspannung. Ein Spannungssprung ${}_{\Delta U_a}$ (Hold Step) mit einem anschließender Einschwingvorgang kann auftreten. Dies ist dadurch bedingt, dass beim Umschalten ein Teil der Kondensatorladung über die Kapazität des Schalters abfließt.

$\Delta U_a = \frac{C_\text{Schalter}}{C} \Delta U_\text{Schalter}$

• Feedthrough oder Durchgriff

Ein weiteres Problem ist der Durchgriff (Feedthrough). Der Durchgriff entsteht dadurch, dass die Kapazität des geöffneten Schalters mit der Speicherkapazität einen Spannungsteiler aus Kondensatoren bildet, auf den die Spannung am Eingang einwirkt.

• Parasitäre Effekte des Kondensators

Da bei Kondensatoren die Ladung aus den Elektroden mit der Zeit in das Dielektrikum wandert, muss man sich ein dem Kondensator parallel geschaltetes RC-Glied, bestehend aus einem hochohmigen R' (im Gigaohmbereich) und einem C' < C vorstellen. Bei einem Spannungssprung der Größe ΔU kommt es daher zu einer nachträglichen Spannungsänderung ΔU':

$\Delta U' = \Delta U\,\frac{C'}{C}$

Wie ausgeprägt dieser Effekt ist, hängt maßgeblich von dem verwendeten Dielektrikum ab. Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET) und keramische Dielektrika weisen hier schlechte Eigenschaften auf. Daher werden in diskret aufgebauten Abtast-Halte-Schaltungen Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus Polytetrafluorethylen (Teflon, PTFE), Polystyrol (PS) oder Polypropylen (PP) verwendet.

Bausteine

Typ	Hersteller	Kondensator Kapazität	Kondensator Aufbau	Einstell- zeit	Auflösung	Anstiegs- geschwin- digkeit	Haltedrift	Technologie
LF398	diverse	10 nF	extern	20µs	10 Bit	0,5V/µs	3mV/s	Bipolar-FET
LF398	diverse	1 nF	extern	4µs	10 Bit	5V/µs	30mV/s	Bipolar-FET
AD585	Analog Devices	100 pF	intern	3µs	12 Bit	10V/µs	0,1V/s	Bipolar
SHC5320	Burr Brown	100 pF	intern	1,5µs	12 Bit	45V/µs	0,1V/s	Bipolar
SHM20	Datel	1 F	intern	1µs	12 Bit	45V/µs	0,1V/s	Bipolar
CS3112	Crystal		intern	1µs	12 Bit	4V/µs	1mV/s	CMOS
CS31412[1]	Crystal		intern	1µs	12 Bit	4V/µs	1mV/s	CMOS
AD781	Analog Devices		intern	0,6µs	12 Bit	60V/µs	10mV/s	Bipolar-MOS
AD782[2]	Analog Devices		intern	0,6s	12 Bit	60V/µs	10mV/s	Bipolar-MOS
AD684[1]	Analog Devices		intern	0,6s	12 Bit	60V/µs	10mV/s	Bipolar-MOS
HA5330	Harris	90 pF	intern	0,5µs	12 Bit	90V/µs	10mV/s	Bipolar
AD783	Analog Devices		intern	0,2µs	12 Bit	50V/µs	20mV/s	Bipolar-MOS
LF6197	National Semiconductor	10 pF	intern	0,2s	12 Bit	145V/µs	0,6V/s	Bipolar-FET
HA5351	Harris		intern	50µs	12 Bit	130V/µs	100V/s	Bipolar
AD9100	Analog Devices	22 pF	intern	16ns	12 Bit	850V/µs	1kV/s	Bipolar
SHM12	Datel	15 pF	intern	15ns	12 Bit	350V/µs	0,5kV/s	Bipolar
AD9101	Analog Devices		intern	7ns	10 Bit	1800V/µs	5kV/s	Bipolar
SHC702	Burr Brown		intern	0,5µs	16 Bit	150V/µs	0,2V/s	Hybrid
SP9760	Sipex		intern	0,35µs	16 Bit	160V/µs	0,5V/s	Hybrid
SHC803	Burr Brown		intern	0,25µs	12 Bit	160V/µs	0,5V/s	Hybrid
SHC49	Datel		intern	0,16µs	12 Bit	300V/µs	0,5V/s	Hybrid
HS9730	Sipex		intern	0,12µs	12 Bit	200V/µs	50V/s	Hybrid
SHM43	Datel		intern	35ns	12 Bit	250V/µs	1V/s	Hybrid
SHC601	Burr Brown		intern	12ns	10 Bit	350V/µs	20V/s	Hybrid
HTS0010	Analog Devices		intern	10ns	8 Bit	300V/µs	50V/s	Hybrid

1. ↑ ^{a b} Vierfaches Abtast-Halte-Glied
2. ↑ Zweifaches Abtast-Halte-Glied

Literatur

• Hans-Jochen Schulze, Georg Engel: Moderne Musikelektronik. Praxisorientierte Elektroakustik und Geräte zur elektronischen Klangerzeugung. Militärverlag der DDR (VEB), Berlin 1989, ISBN 3-327-00772-1 (Amateur-Bibliothek).
• Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, Berlin u. a. 2002, ISBN 3-540-42849-6, S. 977ff.