無外接電阻的2倍增益采樣與保持放大器

　　當(dāng)你需要同時采樣一個信號并放大時，可以將一個增益為1的通用采樣與保持放大器與一個電壓增益為1的放大器作級聯(lián)。除一些特殊情況以外，這樣的一款放大器都有兩只外接電阻（參考文獻(xiàn)1）。這些電阻即使在采樣保持放大器的穩(wěn)定狀態(tài)下也會耗散功率。在單片IC中，電阻的功耗以及發(fā)熱還不是外接電阻的唯一缺點(diǎn)。在一個硅片中集成精密電阻需要更多的工藝步驟，因?yàn)檫@類電阻都是薄膜NiCr（鎳鉻）或SiCr（硅鉻）元件。制造商用激光修整這些電阻，以獲得嚴(yán)格的容差值，從而導(dǎo)致IC的高成本。由于這些電阻占用的芯片面積大于標(biāo)準(zhǔn)信號處理晶體管，因此芯片面積一定更大，進(jìn)一步增加了最終成本。無疑單片IC的設(shè)計者要盡量避免使用精密電阻。

　　如果一個采樣保持放大器需要的電壓增益為整數(shù)（多數(shù)情況下是這樣），可以用一種替代方法增加輸出信號的幅度。對電壓增益G，電路可以同時跟蹤臨時對地跟蹤電容的輸入電壓VIN。隨后，在跟隨中產(chǎn)生一個中斷，并取消其中G-1個電容的對地基準(zhǔn)。同時，跟蹤電容逐個堆疊起來。堆疊后的電壓是所有這些電容電壓的總和，因此得到總值為GVIN。當(dāng)采樣指令發(fā)出時，常數(shù)電壓GVIN保存在第G+1個對地存儲電容中。

　　圖1為一個電壓增益為2的采樣保持放大器實(shí)例。電壓跟隨器用關(guān)斷功能控制著電容C1、C2和C3上的電勢。設(shè)計采用Analog Devices公司的AD8592雙運(yùn)放，因?yàn)樗鼈冊陉P(guān)斷模式的輸出泄漏電流可以低至10pA（參考文獻(xiàn)2）。采樣保持放大器的運(yùn)行可以看時序圖（圖2）。外部邏輯控制信號QS為低電平，而電容C1和C2同時跟蹤其輸入端電壓。跟隨器A1、B1和A2的關(guān)斷輸入捆綁在一起。當(dāng)QD為高電平時，它們工作，因此輸入電壓出現(xiàn)在A1和B1的輸出端，而在A2的輸出端沒有電壓。在QD從高到低轉(zhuǎn)變后，每個受控跟隨器后的空槽關(guān)閉。當(dāng)Q為高電平時，B3和B2導(dǎo)通。因此，C2上的電壓出現(xiàn)在B3的輸出端，輸入電壓的電勢出現(xiàn)在C1的較低結(jié)點(diǎn)上（IC2的第2腳）。由于C1的電壓與輸入電壓和輸出電壓相等，B2跟隨器為2VIN。因此電容C3充電到電壓2VIN。在QS的高至低過渡后，接下來是另一個空槽，以防止電路中的任何交叉導(dǎo)通。在QS下一次從高至低轉(zhuǎn)變時，重復(fù)這個步驟。

　　A3跟隨器用作一個阻抗轉(zhuǎn)換器，輸出C3上的電壓。單個NOR和AND門與作為延遲線路的運(yùn)放IC6一起修正單一的外部邏輯控制信號，以建立正確時序的內(nèi)部邏輯信號QD和QS。

　　對于噪聲分析，假定每個跟隨器的噪聲特性都是相同的，即每個跟隨器輸出電壓的元件隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)差為sA。在跟隨周期結(jié)束時，C1與C2都充電到輸入電壓。VC2電壓的標(biāo)準(zhǔn)差只對跟隨器A1是sA。而VC1電壓的標(biāo)準(zhǔn)差為?2 sA，因?yàn)镃1通過兩個串聯(lián)的跟隨器B1和A2充電。因此，電壓VC1+VC2的標(biāo)準(zhǔn)差就是?3 sA。電壓VC1+VC2在相同周期內(nèi)通過兩個級聯(lián)跟隨器B3和B2加在C3上。另外，VC3電壓通過跟隨器A3加在輸出上。由于所有這些噪聲源都相互獨(dú)立，并且它們都是串聯(lián)作用，輸出電壓的標(biāo)準(zhǔn)差為sOUT= ?6sA。增加整數(shù)增益至G值便得到?3 GsA?，F(xiàn)在提出一個RSNR（相對信噪比），為增益G與輸出端噪聲相對增量之比，可得：

　　RSNR=

　　對于圖1中的采樣保持放大器，RSNR等于0.8165，意為電路的噪聲特性略差于單個跟隨器的情況。當(dāng)增益為3時，RSNR值為1，而從增益4開始，RSNR為1.155，它隨增加的增益而逐漸上升。結(jié)果是，當(dāng)電壓增益為4以上時，采樣保持放大器的噪聲特性要好于單跟隨器的情況。

參考文獻(xiàn)
1． tofka Marián, “Gain-of-two instrumentation amplifier uses no external resistors,” EDN, Feb 15, 2007, pg 81.
2． “AD8592 Dual, CMOS Single Supply Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier with ±250mA Output Current and a Power-Saving Shutdown Mode,” Analog Devices Inc, 1999.

作者：Marin Stofka, Slovak University of Technology, Bratislava, Slovakia