샘플 앤 홀드 회로는 아날로그 전자 장치의 기본 구성 요소로, 전압 또는 전류 레벨을 캡처하고 보존하는 데 사용됩니다. 입력 신호를 '샘플링'한 다음 처리하거나 변환할 준비가 될 때까지 해당 값을 '보유'하는 임시 저장 장치 역할을 합니다. 이 회로는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 같은 응용 분야에서 일반적으로 사용되며, 변환 프로세스의 정확도를 유지하는 데 도움이 됩니다.
샘플 및 홀드 회로는 샘플 스위치와 홀드 커패시터의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 샘플 스위치는 입력 신호를 홀드 커패시터에 연결하여 전압 또는 전류 레벨을 충전하고 저장할 수 있도록 합니다. 샘플 스위치가 꺼지면 홀드 커패시터는 저장된 값을 유지하여 입력 신호로 인한 변경을 방지합니다. 이 프로세스는 아날로그 신호가 변경되거나 전송될 때 아날로그 신호가 정확하게 표시되도록 하여 실수를 줄이고 원래 정보를 그대로 유지합니다.
Sample and Hold 회로는 다양한 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 예를 들어, 아날로그-디지털 변환기에서는 연속 아날로그 입력 신호를 개별 디지털 값으로 양자화하기 전에 샘플링하는 데 사용됩니다. 통신 시스템에서 Sample and Hold 회로는 디지털화된 회로의 아날로그 신호를 재구성하는 데 도움이 되어 고품질 신호 처리에 기여합니다.
또한 이러한 회로는 레이더 시스템, 의료 계측 및 오디오 처리에 사용되며 신호 샘플링의 정밀도가 가장 중요한 다른 분야에서도 사용됩니다. 아날로그 전자 장치의 중요한 부분인 Sample and Hold Circuit의 기본 사항을 살펴보겠습니다. 이 기사에서는 회로도, 회로도가 중요한 이유, 작동 방식, 처리하는 파형, 연결 방법, 기능 다이어그램, 성능 측정, 사용 위치를 다루고 결론으로 마무리합니다.
1. 샘플 앤 홀드 회로의 회로도
샘플 앤 홀드 회로도에서는 2N4339 트랜지스터, 연산 증폭기(741) 및 커패시터를 사용합니다. 명령 입력인 PWM 신호는 트랜지스터의 게이트에 연결됩니다. 다이오드는 명령 입력과 트랜지스터 사이에 배치되며 트랜지스터의 작동 방식 때문에 역방향으로 설정됩니다.
2N4339 트랜지스터는 명령 입력이 음수일 때 켜지므로 전도가 가능합니다. 명령 입력이 높을 때 트랜지스터가 닫힌 스위치처럼 작동하고 커패시터가 충전 되어 입력 신호의 샘플을 캡처하도록 설정했습니다. 명령 입력이 낮으면 트랜지스터가 열린 스위치처럼 작동하여 높은 임피던스를 생성합니다. 이렇게 하면 커패시터가 전하를 잃는 것을 방지하고 유지 기간이라고 하는 특정 기간 동안 샘플링된 신호를 유지합니다. 회로가 입력 신호를 캡처하는 시간을 샘플링 기간이라고 합니다.
샘플 앤 홀드 회로의 중요성은 아날로그 신호의 한계를 극복할 수 있는 능력에 있습니다. 아날로그 신호는 지속적으로 변하기 때문에 정확한 값을 캡처하기가 어렵습니다. 그러나 샘플 앤 홀드 회로를 사용하면 특정 순간에 신호를 "고정" 또는 "샘플링"하여 값이 정확하게 측정되도록 할 수 있습니다.
ADC는 아날로그 신호를 디지털 시스템에서 처리할 수 있는 디지털 형식으로 변환합니다. 샘플 앤 홀드 회로는 변환 프로세스 중에 아날로그 입력 전압을 일정하게 유지하여 변환된 디지털 값이 원래 아날로그 신호를 정확하게 나타내도록 합니다.
또한 데이터 수집 시스템에서 샘플 및 홀드 회로를 사용할 수 있습니다. 이러한 시스템은 온도, 압력 또는 전압과 같은 다양한 물리량을 측정하고 기록하는 데 사용됩니다.
샘플 앤 홀드 회로는 센서에서 아날로그 신호를 캡처하고 추가 분석 또는 저장을 위해 디지털 형태로 변환될 때까지 안정적으로 유지하는 데 사용됩니다. 샘플 및 홀드 회로는 아날로그 신호를 처리하는 전자 시스템의 기본 구성 요소입니다. 특정 순간에 아날로그 신호를 동결 및 유지하는 기능은 정확한 측정과 신뢰할 수 있는 데이터 수집에 매우 중요합니다. Sample and Hold 회로가 없으면 아날로그 신호의 변환 및 처리가 크게 손상됩니다.
2. 샘플 앤 홀드 회로의 동작방식
샘플 앤 홀드 회로의 작동 방식을 이해하는 것은 주요 부품의 역할을 파악하는 것과 같습니다. MOSFET은 신호등과 유사하게 작동하는 스위치와 같습니다. 드레인을 통한 입력 전압과 게이트를 통한 제어 전압의 순서를 따릅니다. 포지티브 제어 전압 펄스를 얻으면 켜지고 닫힌 스위치가 됩니다. 반대로 제어 전압이 0이 되면 OFF되어 개방 스위치가 됩니다.
MOSFET이 폐쇄 스위치 상태일 때 아날로그 신호는 드레인을 통해 커패시터로 흐릅니다. 커패시터는 최고 수준까지 빠르게 충전됩니다. 그러나 MOSFET이 열리면 충전이 중지됩니다. 임피던스가 높은 연산 증폭기 덕분에 커패시터는 전하를 유지하여 사라지는 것을 방지합니다. 이 보유 기간은 샘플링된 값을 유지하기 때문에 매우 중요합니다.
동시에 입력 전압이 샘플링되는 순간을 샘플링 주기라고 합니다. 연산 증폭기는 그냥 앉아있는 것이 아닙니다. 보류 기간 동안 바쁘게 작동하여 출력을 처리하고 회로가 원활하게 작동하는지 확인합니다. 따라서 샘플 및 홀드 회로는 잘 조정된 팀과 같아서 나중에 사용할 수 있도록 입력 신호의 적절한 순간을 캡처하고 유지합니다.
간단히 말해서 Sample and Hold 회로는 MOSFET, 커패시터 및 연산 증폭기 간의 상호 작용을 사용하여 아날로그 신호를 효율적으로 캡처하고 유지합니다. 스위치 MOSFET 역할을 하고, 커패시터는 전하를 저장하며, 연산 증폭기는 유지 기간 동안 유지된 신호의 무결성을 보장하여 다양한 전자 응용 분야에서 중요한 구성 요소가 됩니다.
3. 회로의 입력 및 출력 파형
Sample and Hold(S&H) 회로의 입력 및 출력 파형은 회로의 기능을 설명하는 중요한 측면입니다. 이러한 파형의 특성을 살펴보겠습니다.
1) 입력 파형: Sample and Hold 회로에 대한 입력 파형은 일반적으로 아날로그 신호입니다. 이는 시간이 지남에 따라 변화하는 전압 또는 전류 레벨을 나타내는 연속 파형일 수 있습니다. 입력 파형의 주요 특징은 샘플링 및 보존해야 하는 실제 아날로그 신호를 반영하는 연속적인 특성입니다.
2) 샘플링 단계: S&H 회로에 의해 제어되는 샘플링 단계 동안 입력 파형의 특정 스냅샷 또는 샘플이 일정한 간격으로 캡처됩니다. 이 샘플은 특정 순간의 아날로그 신호의 순간 값을 나타냅니다.
3) 출력 파형: S&H 회로의 출력 파형은 개별 레벨 또는 단계로 특징지어집니다. 이상적인 시나리오에서, 홀딩 단계에서 S&H 회로는 다음 샘플링 주기까지 샘플링된 값을 일정하게 유지한다. 이로 인해 각 단계가 샘플링된 값에 해당하는 단계와 같은 출력 파형이 생성됩니다.
4) 보류 기간: 출력 파형이 일정하게 유지되는 시간을 보류 기간이라고 합니다. 이 간격 동안 S&H 회로는 샘플링된 값이 변경 없이 유지되도록 합니다. 출력 파형은 다음 샘플링 단계가 시작될 때까지 이러한 개별 레벨을 유지합니다.
5) DAC의 재구성: 디지털-아날로그 컨버터(DAC)와 같이 S&H 회로의 출력이 추가로 처리되거나 변환되는 응용 분야에서는 출력 파형의 개별 레벨이 매끄럽고 연속적인 신호로 재구성될 수 있습니다. 그런 다음 DAC의 출력은 원래 아날로그 입력 파형을 근사화합니다.
4. 회로의 연결
회로도 레이아웃은 입력 전압과 제어 전압이 Sample and Hold 회로 내에서 복잡하게 연결되어 있습니다. 다용도 커패시터를 선택하는 것은 누출을 최소화하는 데 매우 중요합니다. 테프론 및 폴리에틸렌과 같은 재료로 만들어진 커패시터는 의도한 목적을 달성하는 데 적합한 것으로 입증되었습니다.
연결 다이어그램은 Sample and Hold 애플리케이션을 위해 설계된 특수 집적 회로인 LF 398을 두드러지게 특징으로 합니다. 이 IC는 회로 아키텍처에서 중심적인 역할을 하여 효과적인 작동을 용이하게 합니다.
이 설정에서 주목할 만한 고려 사항은 아날로그 입력 신호와 제어 신호의 주파수입니다. Sample and Hold 회로의 효율성을 보장하려면 이러한 주파수에 세심한 주의가 필요합니다. 특히, 제어 전압의 주파수는 입력 전압의 주파수를 초과해야 합니다. 이러한 전략적 배치는 아날로그 신호가 전체 주기 내에서 두 번 샘플링을 거치도록 하며, 이는 회로의 효율성을 유지하는 데 중요한 측면입니다.
5. 회로의 기능 다이어그램
Sample and Hold(S&H) 회로의 기능 다이어그램은 필수 구성 요소와 이들이 함께 작동하는 방식을 시각적으로 보여줍니다. 회로가 안정적으로 작동하려면 샘플 스위치, 홀드 커패시터, 제어 로직 및 타이밍 요소가 효과적으로 조정되는 것이 중요합니다.
다음은 기능 다이어그램에 대한 간략한 개요입니다.
6. 회로의 성능 매개 변수
1) 획득 시간(TAC): TAC로 표시되는 획득 시간은 샘플 및 홀드 회로의 커패시터가 적용된 입력 전압에서 전하를 축적하는 데 걸리는 시간을 나타냅니다. 기본적으로 회로가 입력 신호의 순간 값을 캡처하고 저장하는 데 필요한 시간입니다. 일반적으로 수집 시간이 짧을수록 입력 신호의 변화에 대한 보다 빠르고 정확한 응답이 보장되므로 선호됩니다.
2) 간극 시간(TAP): 간극 시간(TAP)은 커패시터가 샘플링 단계에서 유지 단계로 전환하는 데 걸리는 시간을 특성화합니다. 스위치에 내재된 전파 지연으로 인해 커패시터는 hold 명령이 시작된 후에도 잠시 동안 계속 충전될 수 있습니다. 이 잔류 충전 시간을 간극 시간이라고 합니다. 간극 시간을 최소화하는 것은 Sample and Hold 회로의 정밀도를 향상시켜 샘플링과 홀딩 단계 간의 빠르고 정확한 전환을 보장하는 데 필수적입니다.
3) 전압 강하: 전하 누출로 인한 커패시터 양단의 전압 감소를 나타냅니다. 이상적인 커패시터는 누설이 발생하지 않지만 실용적인 고려 사항은 일부 전압 강하가 발생한다는 것을 의미합니다. 고품질 재료를 사용함에도 불구하고 커패시터는 본질적으로 소량의 전하 누출을 경험하여 시간이 지남에 따라 전압이 점진적으로 감소합니다. 전압 강하를 제어하는 것은 샘플링된 신호의 무결성을 유지하고 회로 정확도를 유지하는 데 중요합니다.
4) 홀드 모드 안정화 시간: 홀드 명령이 시작된 후 샘플링 단계에서 커패시터가 충전을 위해 사용하는 아날로그 입력 전압이 완전히 안정화되려면 일정 시간이 필요합니다. 홀드 모드 안정화 시간이라고 하는 이 안정화 시간은 중요한 성능 매개변수입니다. 홀드 모드 안정화 시간을 줄이는 것은 커패시터에 저장된 전하의 더 빠른 안정화를 달성하고 후속 작동을 위한 회로의 준비 상태를 보장하기 위해 바람직합니다.
7. 샘플 앤 홀드 회로의 응용
Sample and Hold 회로는 특정 순간에 아날로그 신호를 캡처하고 저장한 다음 추가 처리가 필요할 때까지 해당 값을 유지할 수 있는 기본 빌딩 블록입니다. 다음은 Sample and Hold 회로의 주요 응용 분야 중 일부입니다.
- 아날로그에서 디지털로 변환: 아날로그 신호를 디지털 형식으로 변환할 때 아날로그 신호를 일정한 간격으로 샘플링하고 디지털 표현으로 변환될 때까지 샘플링된 값을 유지하는 것이 중요합니다. Sample and Hold 회로는 아날로그-디지털 변환기에 의해 양자화되고 처리될 수 있을 때까지 그 가치를 유지합니다.
- 통신 시스템: S&H 회로는 특히 변조 및 복조 프로세스에 사용됩니다. 디지털화된 형태의 아날로그 신호를 재구성하는 데 도움이 되어 고품질 신호의 전송 및 수신에 기여합니다.
- 레이더 시스템: 정확하고 즉각적인 신호 샘플링이 필수적인 레이더 시스템에서는 S&H 회로를 사용하여 레이더 에코 신호를 캡처하고 유지합니다. 이를 통해 수신된 신호의 정확한 처리 및 분석을 용이하게 하여 레이더 시스템의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다.
- 오디오 처리 및 음악 합성: 오디오 응용 분야에서 S&H 회로는 음악 합성에서 피치 및 진폭과 같은 전압 제어 매개변수에 사용됩니다. 그들은 특정 전압 레벨을 캡처하고 유지하는 데 도움이 되어 합성된 사운드와 음악 효과를 만드는 데 기여합니다.
- 제어 시스템: S&H는 피드백 신호와 비교하기 위해 기준 신호를 샘플링하고 유지하는 데 사용됩니다. 이는 다양한 제어 응용 분야에서 안정성과 정확성을 유지하는 데 필수적입니다.
- 데이터 통신의 신호 재구성: 데이터 통신에서 S&H 회로는 디지털 표현에서 아날로그 신호를 재구성하는 데 사용됩니다. 이는 추가 처리를 위해 전송된 신호를 원래 아날로그 형태로 복원해야 하는 시나리오에서 특히 유용합니다.
샘플 앤 홀드 회로는 전자 장치의 중요한 구성 요소로, 신호 처리 및 데이터 수집에 매우 중요합니다. 입력 신호를 정확하게 샘플링하고 유지하는 능력은 아날로그-디지털 변환기와 같은 응용 분야에서 볼 수 있습니다.
신호 저하 방지부터 다양한 어플리케이션에서의 일관성 보장에 이르기까지, Sample and Hold 회로는 매우 중요한 것으로 입증되었습니다.
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