Cos'è sample and hold?

Sample and Hold (S&H)

Il Sample and Hold (S&H), letteralmente "Campiona e Mantieni", è un circuito elettronico che campiona la tensione di un segnale analogico e la mantiene costante per un certo periodo di tempo. È un elemento fondamentale in molti sistemi di acquisizione dati, convertitori analogico-digitale (ADC) e altri circuiti di elaborazione del segnale.

Funzionamento:

Il circuito S&H opera in due fasi principali:

1. Campionamento (Sample): Durante questa fase, un interruttore elettronico (solitamente un MOSFET) si chiude, consentendo al condensatore interno del circuito di caricarsi alla tensione del segnale in ingresso. La durata di questa fase è detta "tempo di acquisizione".

2. Mantenimento (Hold): L'interruttore si apre, isolando il condensatore dal segnale di ingresso. Il condensatore trattiene la carica, mantenendo la tensione al valore campionato. Questa fase è fondamentale per fornire un segnale stabile all'ADC durante la conversione.

Componenti principali:

• Interruttore: Un interruttore elettronico (solitamente un MOSFET) che commuta tra le fasi di campionamento e mantenimento.
• Condensatore: Un condensatore ad alta precisione che immagazzina la carica durante la fase di campionamento e la mantiene durante la fase di mantenimento. La capacità del condensatore influenza la velocità di acquisizione e la capacità di mantenere la tensione costante.
• Buffer/Amplificatore: Un amplificatore operazionale configurato come buffer (inseguitore di tensione) che presenta un'alta impedenza di ingresso per non scaricare il condensatore durante la fase di mantenimento e una bassa impedenza di uscita per pilotare il carico successivo.

Parametri importanti:

• Tempo di acquisizione (Acquisition Time): Il tempo necessario affinché il condensatore si carichi alla tensione del segnale di ingresso con una precisione specificata. Un tempo di acquisizione più breve è preferibile per campionare segnali che variano rapidamente.
• Droop rate (Droop%20Rate): La velocità con cui la tensione sul condensatore diminuisce durante la fase di mantenimento. È causata dalla corrente di dispersione del condensatore e dall'impedenza di ingresso finita del buffer. Un droop rate basso è essenziale per mantenere la precisione del segnale campionato.
• Aperture time (Aperture%20Time): Il tempo necessario all'interruttore per aprirsi completamente. Influisce sulla precisione del campionamento, soprattutto per segnali ad alta frequenza. Idealmente dovrebbe essere il più breve possibile.
• Hold time (Hold%20Time): Il tempo minimo necessario affinché il segnale campionato rimanga stabile dopo che l'interruttore è passato allo stato di mantenimento. L'ADC necessita di questo tempo per effettuare la conversione.

Applicazioni:

• Convertitori Analogico-Digitali (ADC): Per stabilizzare il segnale di ingresso durante la conversione.
• Sintetizzatori musicali: Per creare effetti sonori particolari.
• Acquisizione dati: Per campionare e memorizzare temporaneamente segnali analogici.
• Radar e sistemi sonar: Per il campionamento di segnali ad alta frequenza.

Vantaggi:

• Consente la conversione di segnali variabili nel tempo.
• Riduce gli errori di quantizzazione negli ADC.
• Semplifica il design di circuiti complessi di elaborazione del segnale.

Svantaggi:

• Introduce errori dovuti al droop, al tempo di acquisizione e all'aperture time.
• Aggiunge complessità al circuito.

In sintesi, il Sample and Hold è un blocco circuitale essenziale per interfacciare il mondo analogico con quello digitale, nonostante i suoi limiti e la necessità di una progettazione accurata.