資料轉換器:ADC 與 DAC

取樣保持(sample-and-hold)

取樣保持是一個電壓的定格按鈕。ADC 需要時間想出答案,但輸入在那整段時間裡持續移動——就像試著從一個旋轉的轉盤上讀出一個數字。取樣保持解決了這點:在選定的瞬間,它抓住輸入電壓並把它保持得完全靜止,使轉換器有一個靜止的目標可量。它正是讓取樣的「快照」真的是一張靜止快照而非一抹模糊的元件。

它的核心簡單得可愛:一個開關和一個電容。在追蹤模式,開關閉合,電容跟隨(追蹤)輸入電壓,充放電以保持與之相等。在取樣的瞬間開關打開(保持模式),把最後的電壓困在電容上,因為電荷無處可去。一個高阻抗緩衝器讀取電容而不把它放掉,在整個轉換期間把那個凍結的電壓呈給 ADC。開關閉合:跟隨。開關打開:凍結。轉換。重複。

為何重要:沒有取樣保持,任何分好幾步進行的 ADC(如 SAR,每個位元做一個決定)就會在量一個移動的目標,它早先的高位元決定所依據的電壓,會和晚期的不同,對快速訊號就產生胡言亂語。誠實的限制是真實的:長時間保持期間,一點點電荷會從電容洩漏(垂降);開關打開時注入一點電荷誤差(基座誤差);緩衝器必須夠快地穩定下來。這些正是真實的取樣保持是一個精心設計的區塊、而非隨便一個開關加電容的原因。

一個在 1 微秒內跑 12 個比較步驟的 SAR ADC,整段時間都必須看到穩定的輸入。它的取樣保持閉合開關把一顆小電容充到輸入電壓,再在轉換開始時打開,把那個電壓保持在一個 LSB 的零頭以內,撐滿那一整微秒。

一個開關加一個電容凍住輸入,讓 ADC 有一個靜止的目標。

保持的電壓並非完美凍結:隨電荷從電容洩漏它緩慢垂降,且開關打開時注入一個小階步(基座)。轉換器的好壞,受限於它的取樣保持能否在整個轉換期間穩定保持在一個 LSB 之內。

又称
S/Htrack-and-hold取樣保持電路S&H