Sample and Hold für eine Abtastung des Momentanwertes
Der Begriff Sample bedeutet hier so viel wie das Abtasten oder das Erfassen eines momentanen Wertes einer analogen Spannung. Der Begriff Hold steht hier für das Halten eines analogen Spannungswertes auch nach dem Abschalten bzw. Trennen der Schaltung vom Eingangssignal. Eine Sample-and-Hold-Schaltung erfasst und hält also gewissermaßen einen momentanen Wert einer am Eingang der Schaltung anliegenden analogen Spannung. Bezeichnet wird eine solche Schaltung auch häufig als Abtast-Halte-Glied oder auch als Momentanwertabtastung. Zum Einsatz kommen solche Arten von Schaltungen meistens an den Eingängen von
Analog-Digital-Wandlern. Oft sind diese Schaltungen sogar in diesen Wandlerbausteinen enthalten.
Wie funktioniert die Sample-and-Hold-Schaltung?
Die Schaltung besteht aus einem Schaltelement sowie einem
Kondensator. Die eigentliche Funktion der Schaltung besteht aus einer sogenannten Abtast- und einer Haltephase. Ist das Schaltelement geschlossen, so wird der Kondensator innerhalb einer bestimmten Zeit auf den Spannungswert der anliegenden Eingangsspannung aufgeladen. Dieser Auflagevorgang erfolgt allerdings nicht direkt, sondern über einen vorgeschalteten Impedanzwandler. Dieser sorgt dafür, dass durch das Aufladen des Kondensators der Wert der Eingangsspannung möglichst nicht beeinflusst wird. Im Normalfall würde nach dem Einschalten des Schaltelementes die Eingangsspannung kurzzeitig durch den hohen Stromfluss zum Aufladen des Kondensators absinken. Der Impedanzwandler soll genau dies verhindern. Genau durch diesen Impedanzwandler allerdings wird das Aufladen des Kondensators zeitlich verzögert. Diese zeitliche Verzögerung oder auch Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung am Kondensator hängt vom maximalen Ausgangsstrom des Impedanzwandlers ab und von der Kapazität des Kondensators. Nach dem Öffnen des Schaltelementes erfolgt die Umschaltung in den sogenannten Halte-Zustand. Im Idealfall soll am Ausgang der Schaltung dann der Momentanwert der anliegenden Eingangsspannung zum Zeitpunkt der Abtastphase anliegen. In der Realität jedoch kann die Spannung am Kondensator bzw. am Ausgang der Schaltung unter anderem durch die parasitäre Einwirkung des Schaltelementes geringfügig absinken.
Verschiedene Ausführungen der Sample-and-Hold-Schaltung
Die oben genannte Funktionsweise bezieht sich auf eine Sample-and-Hold-Schaltung der sogenannten 0. Ordnung. Sie gibt eine Ausgangsspannung in Höhe des Wertes zum Zeitpunkt der Ausschaltung anliegenden Eingangsspannung ab. Darüber hinaus sind aber noch weitere Ausführungen einer Sample-and-Hold-Schaltung erhältlich, die beispielsweise einen Mittelwert sicher ändernder Spannungen am Ausgang der Schaltung abgeben können.
Ausführungen von integrierten Schaltkreisen der Sample-and-Hold-Schaltung
Natürlich kann ein Aufbau dieser Schaltung auch mithilfe von diskreten Bauteilen erfolgen. In der Praxis jedoch wird meistens auf
integrierte Schaltkreise zurückgegriffen. Dies gilt vor allem dann, wenn Analog-digital-Wandler eingesetzt werden, die am Eingang bereits eine Sample-and-Hold-Schaltung besitzen. Wie bei den meisten anderen integrierten Schaltungen auch sind Sample-and-Hold-Schaltungen sowohl als Bauteile für die konventionelle Bauteilemontage erhältlich als auch SMD-ICs. DIL-ICs beispielsweise sind die gängigsten Bauformen für Bauteile für die Durchsteckmontage, während SMD-Bauteile häufig in der Gehäuseform SOIC angeboten werden.