Abtast-Halte-Glied

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.

Inhaltsverzeichnis

Anwendungen

Im eingeschalteten Zustand folgt die Ausgangsspannung der Sample-and-Hold-Schaltung der Eingangsspannung. Im ausgeschalteten Zustand hält sie den Wert, den die Eingangsspannung im Augenblick des Abschaltens hatte. Das Eingangssignal wird so zeitliche quantisiert. Die Schaltung wird meist vor einem Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt, 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 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 ε schwingt, wird als Einstellzeit tE (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}
  • Feedthrought oder Durchgriff
Ein weiteres Problem ist der Durchgriff (Feedthrought). 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 10nF extern 20µs 10 Bit 0,5V/µs 3mV/s Bipolar-FET
LF398 diverse 1nF extern 4µs 10 Bit 5V/µs 30mV/s Bipolar-FET
AD585 Analog Devices 100pF intern 3µs 12 Bit 10V/µs 0,1V/s Bipolar
SHC5320 Burr Brown 100pF intern 1,5µs 12 Bit 45V/µs 0,1V/s Bipolar
SHM20 Datel 1F 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 90pF 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 10pF 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 22pF intern 16ns 12 Bit 850V/µs 1kV/s Bipolar
SHM12 Datel 15pF 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

  • Schulze, Hans-Jochen/Engel, Georg: Moderne Musikelektronik - Praxisorientierte Elektroakustik und Geräte zur elektronischen Klangerzeugung, 352 S., 1. Auflage, Berlin – Militärverlag der DDR (VEB), 1989. ISBN 3-327-00772-1
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3-540-42849-6, S. 977ff

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