Sample and Hold Circuit

Sample and Hold

ADC(Analog to Digital Converter)를 만들기 위한 첫 단계는 continuos time signal인 아날로그 신호를 일정한 시간간격으로 sampling하는 것입니다. 이를 위한 Sample and Hold Circuit을 알아보겠습니다.
 
Sample and Hold를 하기 위해서 우선 Switch가 필요합니다. MOS TR을 triode/cut-off region에서 동작시키면 스위치로 사용할 수 있습니다.

이때 On-Resistance는 다음과 같으며 이 값이 작을때 turn on 상태일때 신호를 더 잘 전달시킵니다. W/L 값을 작게 해야 Ron 값을 줄일 수 있습니다.

1. Switch on - Sampling(tracking) Vin이 Vout을 따라갑니다
2. Switch off - Hold CH에 충전된 전압이 그대로 Vout으로 나타납니다.

Sample을 하면 Vout에 Vin이 그대로 따라와야 하는데 게이트 전압(Vg)가 충분히 높지 않으면 문턱전압으로 인해 Vout에 제한이 생길 수 있습니다. 따라서 실제 switch를 구성할때는 CMOS Switch 를 이용합니다.
 
또한 clock bootstrapping을 통해 게이트 전압을 VDD+VTH 또는 2VDD+VTH 까지 올려주어 이같은 제한을 완화시켜줄 수도 있습니다.
 
Switching Noise
1. Clock Feedthrough 

 
2. Charge Injection

 
<설계 point>    noise ↔ bandwidth trade off
Switching Noise를 줄이기 위해  
1. Switch Size↓  →  Switch Ron↑   
2. Cs Size↑  →  RC delay↑
 

Bottom-plate sampling

bt 노드 아래 달리는 TR을 먼저 off 시켜서 bt 노드를 floating 상태로 만들어 줄수 있습니다. 이를 통해 Charge injection으로 인한 switching error를 해결해 줍니다. 
 
 
<Sample and Hold Amplifier>

Inverting SHA

phase 1(sample mode) : Cs에 Vin이 충전된다. 
phase 2(hold mode) : Vout = -(Cs/CH)Vi   출력값으로 전달

 

Hold mode - Half circuit

 
<Non inverting SHA>

phase 1(sample mode) : Cs에 Vin이 충전된다. 
phase 2(hold mode) : Vout = -(Cs/CH)Vi   출력값으로 전달    Cs = CH → gain =1