采樣保持器是嵌入式系統(tǒng)模擬量輸入通道中的一種模擬量存儲(chǔ)裝置。它是連接采樣器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的中間環(huán)節(jié)。采樣器是一種開(kāi)關(guān)電路或裝置，它在固定時(shí)間點(diǎn)上取出被處理信號(hào)的值。采樣保持器則把這個(gè)信號(hào)值放大后存儲(chǔ)起來(lái)，保持一段時(shí)間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個(gè)采樣時(shí)間再取出一個(gè)模擬信號(hào)值來(lái)代替原來(lái)的值。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作期間采樣保持器一直保持著轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)的輸入值，因而能抑制由放大器干擾帶來(lái)的轉(zhuǎn)換噪聲，降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的度和消除轉(zhuǎn)換時(shí)間的不準(zhǔn)確性。一般生產(chǎn)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)的模擬量輸入可能是每秒幾十點(diǎn)、幾百點(diǎn)，對(duì)于大型系統(tǒng)甚至上千點(diǎn),往往需要高速采樣(如5000～10000點(diǎn)／秒)。為使這些模擬量信號(hào)逐個(gè)地送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而不至降低被測(cè)信號(hào)的真實(shí)性，必須采用采樣保持器。在低速系統(tǒng)中一般可以省略這種裝置。采樣保持電路由模擬開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)元件和緩沖放大器A組成。　　

    采樣與保持放大器對(duì)模擬電壓執(zhí)行采樣與保持，直到ADC數(shù)字化。完善的采樣電路一直保持某個(gè)電壓，直到完成數(shù)字化。因此，放大器的輸出與它的輸入相同。但真實(shí)情況中，采樣與保持放大器可能會(huì)使電壓升高或降低，由此產(chǎn)生誤差。放大器中的偏移電壓會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)加法誤差。而且會(huì)發(fā)生一種特定的加法誤差，即所謂的電壓基底(voltage pedestal)，它的起源是在從采樣狀態(tài)向保持狀態(tài)的過(guò)渡中，這一過(guò)渡是由于寄生電荷向保持電容器轉(zhuǎn)移引起的。

　　采樣與保持放大器用模擬開(kāi)關(guān)把信號(hào)連接到保持電容器。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電阻很低，因此電容器充電，達(dá)到被采樣的輸入電壓。在保持期間，當(dāng)開(kāi)關(guān)電阻很高時(shí)，采樣電容器一直保持電壓，直到ADC把它數(shù)字化。在從低開(kāi)關(guān)電阻向高開(kāi)關(guān)電阻過(guò)渡期間，寄生電荷的注入（主要是從開(kāi)關(guān)的柵極向保持電容器注入）不斷給電容器充電，直到開(kāi)關(guān)的控制電壓達(dá)到穩(wěn)定的邏輯電平。注入的電荷在電容器產(chǎn)生誤差電壓。在保持期間也許會(huì)出現(xiàn)一些額外誤差。放大器中的泄漏電流及偏置電流與開(kāi)關(guān)和電容器中的數(shù)十皮安泄漏電流結(jié)合在一起，導(dǎo)致電容器在保持期間充電或放電。

　　如果應(yīng)用占空比為D和1–D的邏輯控制信號(hào)，你就能測(cè)量平均輸出壓差[?VOUT ]=[ VOUT – VIN ]，如以下方程所示：

　　其中V_OUT和V_/OUT分別是D和1–D的輸出壓差，V_STAT是選定的基準(zhǔn)輸入電壓值的穩(wěn)定輸出壓差，D是占空比，V_INJ是電壓基底，V_DROPPEAK是壓降峰值。圖1表明方程中的電壓如何隨時(shí)間變化。如果你應(yīng)用占空比為25%的互補(bǔ)控制波形，你就能測(cè)量采樣與保持放大器輸出電壓的另一個(gè)DC分量。，當(dāng)采樣開(kāi)關(guān)持續(xù)接通時(shí)，你可以測(cè)量V_STAT電壓，它是真正的DC電壓。V_OUT和V_/OUT包含一個(gè)波形，它疊加在選定的基準(zhǔn)電壓值上。因此，你應(yīng)該用某個(gè)阻值（比方說(shuō)10 kΩ）的串聯(lián)電阻器測(cè)量這些電壓的均值。

    圖1，采樣與保持放大器的保持電容器由于泄漏電流、偏置電流以及電壓階躍而出現(xiàn)壓降，導(dǎo)致放大器的輸出與輸入壓差。

　　把電壓基底（一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形波形）乘以占空比，就得到均值。相比之下，壓降波形看起來(lái)是一個(gè)鋸齒。它的均值增加到占空比平方的一半。壓降峰值表示樣本/HOLD邏輯控制波形的整個(gè)周期T結(jié)束時(shí)的假設(shè)壓降。

　　你可用前述方程來(lái)求電壓基底值和壓降峰值。75%占空比是一個(gè)很方便的值。下列方程對(duì)該占空比有效：

　　你必須找出邏輯控制信號(hào)的重復(fù)率f_REP。在重復(fù)率上升時(shí)，來(lái)自輸入端的輸出壓差幾乎純粹是由DC電壓偏移加上電壓基底導(dǎo)致的：(V_/OUT–V_STAT)/(V_OUT–V_STAT)≈3。以下方程可求出重復(fù)率的值：f_REP≤(0.01/4)×1/(t_ON–t_OFF)，其中t_ON和_OFF分別是接通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。該方程確保采樣與保持放大器的內(nèi)部模擬開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間值之差，對(duì)的25%和75%占空比準(zhǔn)確度的影響不會(huì)超過(guò)1%。

　　如果你為某種高性能模擬開(kāi)關(guān)（比如Analog Devices公司的ADG1213）求解該方程，你獲得的重復(fù)率不會(huì)超過(guò)33 kHz。壓降導(dǎo)致的差值在較低的重復(fù)率時(shí)占優(yōu)。在此情況下，重復(fù)率可以是V_/OUT–V_STAT≤1/10×V_INMAX時(shí)的頻率值，其中V_INMAX是輸入電壓范圍。確定重復(fù)率下限的方法是做實(shí)驗(yàn)。

　　某個(gè)受測(cè)的采樣與保持放大器使用圖2中的電路，使用的電源電壓為–1V，漏極至漏極電壓為5V，并且脈沖發(fā)生器中的邏輯電路的電源電壓為3.3V。在ADG1213的內(nèi)部開(kāi)關(guān)的25%、75%和100%占空比數(shù)值處的兩組測(cè)量值控制著使用的0V和2.5V輸入電壓。你將在1.762 kHz重復(fù)率位置測(cè)量輸出壓差（約為–0.0366 mV）和基底電壓（約為–0.0333 mV）。進(jìn)入保持電容器（C_H=2 nF）的殘留有效電荷注入值QINJ等于CH×V_INJ。該值為負(fù)，并且不超過(guò)–75 fC。以下方程定義了2.5V輸入電壓范圍內(nèi)的電荷注入差值：ΔQI_INJ=Q_INJ(2.5V)–Q_INJ(0V)，并得出–6.7 fC值。以下方程在重復(fù)率為160 Hz時(shí)，根據(jù)獲得的壓降峰值確定了殘留有效泄漏電流：I_LEAK=C_H×V_DROPPEAK×f_REP，其中I_LEAK是泄漏電流。0V輸入電壓時(shí)的泄漏電流約為17 pA，2.5V輸入電壓時(shí)的泄漏電流約為–17 pA。

圖2，使用數(shù)字伏特計(jì)來(lái)測(cè)量采樣與保持放大器的輸出與輸入壓差。