取样保持

取样保持（sample and hold）电路属于模拟电路，可以针对连续变化的电压（模拟信号）进行取样，并且在指定时间内，让输出维持此一定值。取样保持电路以及相关的精准整流器（英语：峰值檢測電路）是基本的模拟记忆组件。常用在模拟数字转换器（ADC）上，以去除输入信号的变化（此变化若出现在转换过程，可能会破坏转换的结果）[1]。

简化的取样保持电路。AI是模拟输入，AO是模拟输出，C是控制信号
取样时间
取样和保持
取样保持集成电路Tesla MAC198)

典型的取样保持电路是用电容器来存储电荷，再配合至少一个开关组件（例如场效应管）以及一个运算放大器[2]。若要取样输入信号，开关会连接电容器和缓冲放大器的输出。缓冲放大器会将电容器充电或是放电，使其电压大致等于输入电压（或和输入电压成正比）。在保持阶段会将电容器和缓冲器切离，电容器在本质上会因为漏电流（英语：Leakage (electronics)）以及负载电流而放电，因此在本质上其实是易失性存储器，电压会慢慢降低，但若在保持时间的电压降够小，在大部分的应用中已可以使用。

目的

取样保持电路会用在线性系统中。在一些种类的模拟数字转换器中，会将输入和内部数字模拟转换器（DAC）产生的信号比较，再依比较结果调整数字值，持续调整，直到两电压误差在允许范围内为止。若在比较过程中，输入电压可以变动，所得的结果会不准确，甚至可能出现和输入电压无关的结果。这类循续渐近式模拟数字转换器一般会有内部的取样保持电路。此外，取样保持电路也可以用在需要量测多个信号在同一时间下数值的情形，此时可以用共同的取样时脉。

在实际上，所有商用主动式（英语：active matrix）液晶显示器，若是以TN、IPS或VA的光电液晶盒为基础（不考虑双稳定现象），每一个像素就表示一个小的电容器，周期性的被对应图案中对应点灰度图像（明暗对比）的电压充电，为了在扫描周期内维持该电压，每一个液晶像素都会并联一个电容器，以维持其电压。会用薄膜晶体管来选择特定的液晶像素，再依对应的电压为其充电。和一般的取样保持电路不同，此处没有输出的运算放大器，也没有电子的输出信号。充电电容的电荷会控制液晶分子的变形，因此也会控制输出的光学效果。此概念的发明，以及在薄膜技术上的实现，使发明者获得了IEEE西泽润一奖.[3]。

 
Korg ARP Odyssey合成器的取样保持方块

在扫描周期中，图案不会追随输入信号。因此此时眼睛无法更新信息，可能会造成在变化信号下的模糊，也因为在切换过程中，背光是一直打开皂，可以看到切换的过程，会产生显示运动模糊（英语：display motion blur）[4][5]。

合成器中也常见有取样保持电路，不论是合成器模块或是集成组件都是如此。取样保持电路用来为输入信号（一般是来自合成器其他组件的输出）进行定期的取样。若取样保持电路加入了白噪声生器，其结果会是随机值，此随机值可以用来在信号中做小的调整，或是产生随机变化的音调，视白噪声的大小而定[6]。

实现

为了让输入电压尽可能的稳定，电容器的漏电流需非常小，而且其负载电流不能太大。

注解

  1. ^ Kefauver and Patschke, p. 37.
  2. ^ Horowitz and Hill, p. 220.
  3. ^ Kawamoto, Hiro. The Inventors of TFT Active-Matrix LCD Receive the 2011 IEEE Nishizawa Medal. Journal of Display Technology. 2012, 8 (1): 3–4 [2021-05-25]. ISSN 1558-9323. doi:10.1109/JDT.2011.2177740. （原始内容存档于2021-05-25）. 
  4. ^ Charles Poynton is an authority on artifacts related to HDTV, and discusses motion artifacts succinctly and specifically (PDF). [2021-05-25]. （原始内容存档 (PDF)于2017-06-30）. 
  5. ^ Eye-tracking based motion blur on LCD. [2021-05-25]. （原始内容存档于2021-06-29）. 
  6. ^ Sound on Sound, August 2000: From Sample & Hold To Sample-rate Converters. [2021-05-25]. （原始内容存档于2021-05-25）. 

参考资料

  • Paul Horowitz, Winfield Hill (2001 ed.). The Art of Electronics （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Cambridge University Press. ISBN 0-521-37095-7.
  • Alan P. Kefauver, David Patschke (2007). Fundamentals of digital audio （页面存档备份，存于互联网档案馆）. A-R Editions, Inc. ISBN 0-89579-611-2.
  • Analog Devices 21 page Tutorial "Sample and Hold Amplifiers" http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-090.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  • Ndjountche, Tertulien. CMOS Analog Integrated Circuits: High-Speed and Power-Efficient Design. Boca Raton, FL, USA: CRC Press. 2011: 925 [2021-05-25]. ISBN 978-1-4398-5491-4. （原始内容存档于2012-10-15）. 
  • Applications of Monolithic Sample and hold Amplifiers-Intersil