无外接电阻的2倍增益采样与保持放大器

当你需要同时采样一个信号并放大时，可以将一个增益为1的通用采样与保持放大器与一个电压增益为1的放大器作级联。除一些特殊情况以外，这样的一款放大器都有两只外接电阻（参考文献1）。这些电阻即使在采样保持放大器的稳定状态下也会耗散功率。在单片IC中，电阻的功耗以及发热还不是外接电阻的唯一缺点。在一个硅片中集成精密电阻需要更多的工艺步骤，因为这类电阻都是薄膜NiCr（镍铬）或SiCr（硅铬）元件。制造商用激光修整这些电阻，以获得严格的容差值，从而导致IC的高成本。由于这些电阻占用的芯片面积大于标准信号处理晶体管，因此芯片面积一定更大，进一步增加了最终成本。无疑单片IC的设计者要尽量避免使用精密电阻。

如果一个采样保持放大器需要的电压增益为整数（多数情况下是这样），可以用一种替代方法增加输出信号的幅度。对电压增益G，电路可以同时跟踪临时对地跟踪电容的输入电压VIN。随后，在跟随中产生一个中断，并取消其中G-1个电容的对地基准。同时，跟踪电容逐个堆叠起来。堆叠后的电压是所有这些电容电压的总和，因此得到总值为GVIN。当采样指令发出时，常数电压GVIN保存在第G+1个对地存储电容中。

图1为一个电压增益为2的采样保持放大器实例。电压跟随器用关断功能控制着电容C1、C2和C3上的电势。设计采用Analog Devices公司的AD8592双运放，因为它们在关断模式的输出泄漏电流可以低至10pA（参考文献2）。采样保持放大器的运行可以看时序图（图2）。外部逻辑控制信号QS为低电平，而电容C1和C2同时跟踪其输入端电压。跟随器A1、B1和A2的关断输入捆绑在一起。当QD为高电平时，它们工作，因此输入电压出现在A1和B1的输出端，而在A2的输出端没有电压。在QD从高到低转变后，每个受控跟随器后的空槽关闭。当Q为高电平时，B3和B2导通。因此，C2上的电压出现在B3的输出端，输入电压的电势出现在C1的较低结点上（IC2的第2脚）。由于C1的电压与输入电压和输出电压相等，B2跟随器为2VIN。因此电容C3充电到电压2VIN。在QS的高至低过渡后，接下来是另一个空槽，以防止电路中的任何交叉导通。在QS下一次从高至低转变时，重复这个步骤。

A3跟随器用作一个阻抗转换器，输出C3上的电压。单个NOR和AND门与作为延迟线路的运放IC6一起修正单一的外部逻辑控制信号，以建立正确时序的内部逻辑信号QD和QS。

对于噪声分析，假定每个跟随器的噪声特性都是相同的，即每个跟随器输出电压的元件随机标准差为sA。在跟随周期结束时，C1与C2都充电到输入电压。VC2电压的标准差只对跟随器A1是sA。而VC1电压的标准差为?2 sA，因为C1通过两个串联的跟随器B1和A2充电。因此，电压VC1+VC2的标准差就是?3 sA。电压VC1+VC2在相同周期内通过两个级联跟随器B3和B2加在C3上。另外，VC3电压通过跟随器A3加在输出上。由于所有这些噪声源都相互独立，并且它们都是串联作用，输出电压的标准差为sOUT= ?6sA。增加整数增益至G值便得到?3 GsA。现在提出一个RSNR（相对信噪比），为增益G与输出端噪声相对增量之比，可得：

RSNR=

对于图1中的采样保持放大器，RSNR等于0.8165，意为电路的噪声特性略差于单个跟随器的情况。当增益为3时，RSNR值为1，而从增益4开始，RSNR为1.155，它随增加的增益而逐渐上升。结果是，当电压增益为4以上时，采样保持放大器的噪声特性要好于单跟随器的情况。

参考文献
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