วงจร Sample and Hold เป็นวงจรที่ใช้ในระบบประมวลผลสัญญาณและระบบเก็บข้อมูล หน้าที่หลักของระบบนี้คือการส่งสัญญาณและสุ่มตัวอย่างค่าอินพุต แล้วเก็บหรือตรึงค่าที่ประมวลผลแล้วไว้ในช่วงเวลาหนึ่ง วงจรนี้ช่วยให้สามารถรับและจัดการข้อมูลหรือค่าของสัญญาณได้ทันที ซึ่งมีประโยชน์ในหลายสาขา ประกอบด้วยสวิตช์ ตัวเก็บประจุ ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) และสัญญาณควบคุม (สัญญาณควบคุมการสุ่มตัวอย่างและเก็บ)

วงจร Sample and Hold คืออะไร?

วงจร Sample and Hold เป็นวงจรที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างหรือผลิตตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามา และหลังจากประมวลผลแล้ว จะคงแรงดันไฟฟ้านี้ไว้เป็นระยะเวลาที่กำหนด ระยะเวลาที่วงจรทำการสุ่มตัวอย่างและคงแรงดันไฟฟ้าและสร้างสัญญาณขาเข้าเรียกว่า เวลาสุ่มตัวอย่าง (Sampling Time) เช่นเดียวกับระยะเวลาที่วงจรนี้คงค่าที่ประมวลผลแล้วไว้ เรียกว่า เวลาคงค่า (Holding Time) โดยพื้นฐานแล้ว วงจรนี้จะสร้างตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าเป็นอินพุต และหลังจากนั้นจะคงตัวอย่างเหล่านี้ไว้เป็นระยะเวลาที่กำหนด เราอาจกล่าวได้ว่าตัวเก็บประจุเป็นตัวดำเนินการหลักของวงจร Sample and Hold โดยตัวเก็บประจุจะชาร์จจนถึงค่าสูงสุดแล้วจึงเปิดสวิตช์

การทำงานของวงจร Sample and Hold

ส่วนประกอบหลักในวงจร Sample and Hold คือ N-Channel E-MOSFET, ตัวเก็บประจุสำหรับเก็บ กักเก็บ และปล่อยประจุไฟฟ้า และแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการความเร็วสูง N-Channel E-MOSFET จะใช้เป็นส่วนประกอบที่เปลี่ยนแปลงได้ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะเข้าทางขั้ว และแรงดันควบคุมจะเข้าทางขั้วเกต หลังจากนั้น เมื่อแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ E-MOSFET จะเปลี่ยนเป็นสถานะ ON ซึ่งหมายถึงเปิด จากนั้นมันจะทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ปิดหรือเปิด ในความเป็นจริง เมื่อแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ MOSFET จะเปลี่ยนเป็นสถานะ OFF และทำหน้าที่เหมือนสวิตช์เปิด

ในจุดนั้น เมื่อ MOSFET ทำหน้าที่เสมือนสวิตช์ปิด หลังจากนั้น สัญญาณง่ายๆ ที่ป้อนเข้าไปทางขั้วต่อจะถูกส่งไปยังตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุจะเริ่มชาร์จจนถึงค่าสูงสุด จากนั้น เมื่อสวิตช์ MOSFET เปิด ตัวเก็บประจุจะหยุดชาร์จ เนื่องจากมี แอมพลิฟายเออร์  ขนาดใหญ่ ต่ออยู่กับปลายวงจร ตัวเก็บประจุจึงมีความต้านทานสูง ทำให้ไม่สามารถคายประจุได้ ตัวเก็บประจุจะเก็บแรงดันไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งระยะเวลานี้เรียกว่าระยะเวลาคงแรงดัน (holding time period) และระยะเวลาที่วัดแรงดันเรียกว่าระยะเวลาสุ่มตัวอย่าง (sampling time period)

แรงดันไฟฟ้าที่ประมวลผลโดยแอมพลิฟายเออร์ในช่วงระยะเวลาคงค่า ดังนั้น ระยะเวลาคงค่าจึงมีความสำคัญสำหรับ OP-AMP

รูปคลื่นอินพุตและเอาต์พุต

รูปคลื่นที่แสดงในแผนภาพนั้นแสดงให้เห็นภาพได้อย่างชัดเจน จากรูปคลื่นของวงจรตัวอย่างและคงค่า (sample and hold circuit) สรุปได้ว่า ในระหว่างช่วงเวลาที่วงจรเปิด (Open หรือ ON) แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตจะเป็นเท่าใด และในระหว่างช่วงเวลาที่วงจรปิด (Close หรือ OFF) แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของ OP-AMP จะเป็นเท่าใด

การเชื่อมต่อในวงจร Sample and Hold

ในการสุ่มตัวอย่างสัญญาณอินพุต สวิตช์จะเชื่อมต่อตัวเก็บประจุเข้ากับเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์ การเชื่อมต่อนี้บอกถึงแรงดันควบคุมและแรงดันอินพุต และวิธีการนำแรงดันทั้งสองไปใช้กับ OP-AMP ในวงจรนี้ ตัวเก็บประจุทำจากโพลีเอทิลีนและเทฟลอน ในแผนภาพด้านบน ความถี่ของสัญญาณอินพุตแบบอนาล็อกและสัญญาณควบคุมถูกบันทึกไว้ และเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องปรับสมดุลพลังงานของวงจรนี้เพื่อให้ได้ความถี่ตามที่กำหนด ความถี่ของแรงดันควบคุมควรสูงกว่าความถี่ของแรงดันอินพุต นั่นเป็นเหตุผลที่สัญญาณอย่างง่ายสามารถสุ่มตัวอย่างได้สองครั้งในหนึ่งรอบ ในช่วงการสุ่มตัวอย่าง สัญญาณอินพุตจะเชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุผ่านสวิตช์ ตัวเก็บประจุจะชาร์จหรือคายประจุตามแรงดันสัญญาณอินพุต และในช่วงการคงค่า สวิตช์จะเปิดออก ทำให้สัญญาณอินพุตถูกตัดการเชื่อมต่อจากตัวเก็บประจุ

แผนภาพการทำงาน

หน้าที่หลักของวงจรแซมเปิลแอนด์โฮลด์ (S/H) คือการสุ่มตัวอย่างสัญญาณอินพุตและเก็บตัวอย่างเหล่านั้นไว้ในเอาต์พุตเป็นระยะเวลาหนึ่ง โดยทั่วไปแล้ว การสุ่มตัวอย่างจะทำในช่วงเวลาที่สม่ำเสมอ ดังนั้นจึงสามารถกำหนดอัตราการสุ่มตัวอย่าง (หรืออัตราสัญญาณนาฬิกา) ของวงจรได้

ประเภทของวงจรตัวอย่างและคงค่า

วงจร S และ H มีหลายประเภท:

• วงจรตัวอย่างและคงค่าแบบตัวเก็บประจุสวิตช์: เป็นวงจรตัวอย่างและคงค่าชนิดหนึ่ง และเป็นวงจรอย่างง่ายชนิดหนึ่งที่นิยมใช้ในตัวแปลงสัญญาณแบบง่ายไปเป็นแบบขั้นสูง หรือตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) และในโปรแกรมอื่นๆ ที่ต้องการการสุ่มตัวอย่างและการคงค่าสัญญาณอย่างง่ายอย่างถูกต้อง
• วงจรติดตามและคงค่า (Track and Hold หรือ T&H): เป็นวงจรประเภทหนึ่งที่ใช้ในการสุ่มตัวอย่างและคงค่าสัญญาณแบบง่ายหรือแบบอนาล็อกที่เข้ามา และคงระดับแรงดันไฟฟ้าไว้เป็นระยะเวลาที่กำหนด
• วงจรขยายสัญญาณแบบเก็บค่าและคงค่า (Sample and Hold Circuit): เป็นวงจรแบบเก็บค่าและคงค่าชนิดหนึ่งที่ใช้ในระบบที่มีหลักการเดียวกับวงจร S&H โดยมีหน้าที่ปรับสมดุลระดับแรงดันไฟฟ้าในระหว่างการสุ่มตัวอย่างสัญญาณและคงค่าสัญญาณไว้ วงจรนี้จะป้องกันวงจรหลักจนกว่าการสุ่มตัวอย่างและการคงค่าจะเสร็จสมบูรณ์
• วงจร Sample and Hold แบบสวิตช์ MOSFET: เป็นวงจร Sample and Hold ชนิดหนึ่ง โดยเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเข้ากับตัวเก็บประจุ ทำให้ตัวเก็บประจุสามารถชาร์จและเก็บแรงดันไฟฟ้าที่สุ่มตัวอย่างได้
• วงจร Sample and Hold ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า: วงจร นี้เป็นวงจร Sample and Hold อีกประเภทหนึ่ง และเป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างง่ายที่ใช้ในการสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและคงค่าแรงดันไฟฟ้านั้นไว้จนกว่าจะมีการสุ่มตัวอย่างครั้งต่อไป พบได้ในหลากหลายสาขา เช่น (ADC) เอฟเฟ็กต์เสียง และแอปพลิเคชันอื่นๆ ที่ใช้ในการสุ่มตัวอย่างและคงสัญญาณไว้
• วงจร Pulse Sample and Hold: เป็นวงจรประเภท Sample and Hold ที่โดยทั่วไปใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการหรือจำเป็นอย่างยิ่งในเรื่องจังหวะเวลาที่แม่นยำ เช่น ในระบบจัดหาและเก็บรวบรวมข้อมูล และตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC)

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพของวงจร Sample and Hold

• เวลาเปิดรูรับแสง (TAP): สามารถอธิบายได้ว่าเป็นเวลาที่คาดหวังหรือจำเป็นที่ตัวเก็บประจุใช้ในการเปลี่ยนสถานะจากสุ่มตัวอย่างไปเป็นการคงค่าไว้ เรียกอีกอย่างว่าเวลาเปิดรูรับแสงหรือเวลาเปิดใช้งาน
• เวลาในการรับข้อมูล (TAC): สามารถอธิบายได้ว่าเป็นเวลาที่คาดหวังหรือจำเป็นที่ตัวเก็บประจุใช้ในการรับประจุจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ป้อนเข้าสู่วงจรตัวอย่างและคงค่า เรียกอีกอย่างว่าเวลาในการรับข้อมูลหรือเวลาในการรักษาความปลอดภัย
• แรงดันตก: ตัวเก็บประจุในวงจรนี้มีแรงดันตกเนื่องจากการรั่วไหลของประจุภายในตัวเก็บประจุ แต่ในความเป็นจริง เราต้องการตัวเก็บประจุที่มีการเชื่อมต่อเป็นศูนย์ แต่เป็นไปไม่ได้
• เวลาในการปรับตัวในโหมดคงค่า (Hold Mode Settling Time): หลังจากที่คำสั่งคงค่าถูกนำไปใช้ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าแบบง่ายหรือแบบอนาล็อกจะอยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อนที่กำหนดไว้ และจะใช้เวลาสักระยะหนึ่งในการปรับตัวให้สมบูรณ์ เวลาที่ใช้ไปนี้เรียกว่า เวลาในการปรับตัวในโหมดคงค่า (Hold Mode Settling Time)

การประยุกต์ใช้งานวงจรตัวอย่างและคงค่า (Sample and Hold Circuit)

• การใช้งานหลักของวงจร Sample and Hold คือในตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) โดยใช้ในการดักจับและเก็บค่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจนกว่าจะเปลี่ยนเป็นค่าที่สูงขึ้น
• วงจรเหล่านี้มักใช้ในโปรแกรมหรือแอปพลิเคชันด้านการสื่อสาร และในการประมวลผลสัญญาณเพื่อสร้างสัญญาณแบบง่ายหรือแบบอนาล็อกขึ้นใหม่จากตัวอย่างต่างๆ
• วงจรเหล่านี้สามารถใช้ในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อเก็บแรงดันอ้างอิงไว้ทันที จากนั้นจึงใช้แรงดันอ้างอิงนั้นในการควบคุมและปรับแรงดันไฟฟ้าที่ได้ของกำลังไฟฟ้า
• วงจรเหล่านี้มักใช้ในการตรวจคัดกรองทางการแพทย์หรือการถ่ายภาพทางการแพทย์ ด้วยความช่วยเหลือของวงจรตัวอย่างและคงค่า เราใช้ในการบันทึกและคงค่าสัญญาณจากเซ็นเซอร์ต่างๆ เช่น เครื่องเอ็กซ์เรย์ เครื่องอัลตราซาวนด์ และเครื่องสแกน
• วงจรเหล่านี้ยังถูกนำไปใช้ในเครื่องมือและแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย เช่น (ADC), เครื่องมือสื่อสาร และแอปพลิเคชันการประมวลผลสัญญาณ

ข้อดีของวงจร Sample and Hold

• วิธีการนี้ช่วยเพิ่มความเสถียรของสัญญาณโดยการสุ่มตัวอย่างและเก็บรักษาสัญญาณไว้ และยังป้องกันการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในขณะนั้นด้วย
• นอกจากนี้ วงจรนี้ยังช่วยในการแปลงสัญญาณอย่างง่ายให้เป็นสัญญาณขั้นสูงโดยใช้วงจรนี้ในตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC)
• นอกจากนี้ยังช่วยในการประมวลผลสัญญาณในแอปพลิเคชันการสื่อสารโดยการสุ่มตัวอย่างสัญญาณและเก็บไว้ในช่วงเวลาที่กำหนด กล่าวอีกนัยหนึ่ง วงจรนี้จะดักจับสัญญาณและประมวลผลในช่วงเวลาหรือคาบเวลาที่กำหนด
• นอกจากนี้ยังใช้ในการปรับเปลี่ยนวงจรเพื่อกำจัดสิ่งที่ไม่พึงประสงค์หรือสิ่งที่ไม่ต้องการซึ่งอาจเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการปรับเปลี่ยน และยังช่วยลดสัญญาณรบกวนในสัญญาณอย่างง่ายอีกด้วย
• นอกจากนี้ ยังมีบทบาทสำคัญในการจัดหาข้อมูลหรือการได้มาซึ่งข้อมูล โดยที่ต้องทำการสุ่มตัวอย่างสัญญาณอย่างแม่นยำและจำกัด และเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการประมวลผล

ข้อเสียของวงจร Sample and Hold

• เนื่องจากช่วงเวลาที่จำกัด ไม่แน่นอน หรือเฉพาะเจาะจง โอกาสที่จะเกิดข้อผิดพลาดจึงเพิ่มสูงขึ้นในระหว่างการประมวลผลสัญญาณ
• ในการใช้งานที่มีความถี่สูง สัญญาณที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจะไม่สามารถสุ่มตัวอย่างได้ง่าย ส่งผลให้วงจรสุ่มตัวอย่างและคงค่า (sample and hold circuit) ไม่สามารถประมวลผลสัญญาณได้อย่างแม่นยำ
• วงจรเหล่านี้ยังก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิด้วย เนื่องจากเป็นวงจรไฟฟ้าชนิดหนึ่ง เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง อาจส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของชิ้นส่วนต่างๆ ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในกระบวนการผลิตได้
• การใช้งานที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนมากเกินไปนั้นถือเป็นข้อเสียและจุดอ่อนของวงจรนี้

บทสรุป

วงจรแซมเปิลแอนด์โฮลด์ (Sample and Hold Circuit) เป็นวงจรสำคัญในระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ โดยเฉพาะใน ADC (ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล) และระบบจัดหาข้อมูล จุดประสงค์หลักของวงจรแซมเปิลแอนด์โฮลด์คือการส่งสัญญาณและสุ่มตัวอย่างค่าอินพุต แล้วเก็บหรือตรึงค่าที่ประมวลผลแล้วไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง ในอิเล็กทรอนิกส์ วงจรนี้ใช้ในการสร้างหรือผลิตตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามา และหลังจากประมวลผลแล้ว จะเก็บแรงดันไฟฟ้านี้ไว้เป็นระยะเวลาที่กำหนด ส่วนประกอบหลักในวงจรแซมเปิลแอนด์โฮลด์ ได้แก่ N-Channel E-MOSFET, สวิตช์, ตัวเก็บประจุสำหรับเก็บ ตรึง และปล่อยประจุไฟฟ้า และตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (Operational Amplifier) ​​สวิตช์จะสุ่มตัวอย่างสัญญาณขาเข้าที่เข้ามาจากขั้วเดรนของ E-MOSFET และชาร์จตัวเก็บประจุเพื่อตรึงแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ตราบใดที่สวิตช์เปิดอยู่ วงจรนี้ช่วยให้สามารถรับและจัดการข้อมูลหรือค่าของสัญญาณได้ทันที ซึ่งมีประโยชน์ในหลายๆ ด้าน