如何用高速A/D轉(zhuǎn)換器測量脈沖波形

采用脈沖信號的產(chǎn)品方陣不斷增長，包括當(dāng)前能效更高的IC、開關(guān)電源和逆變器，乃至LED模塊和子組件；相應(yīng)的，對于這些最終產(chǎn)品而言，其分立的組成部件在脈沖條件下的測量變得極為重要。僅具備DC源輸出能力的測試儀器給器件施加的功率所發(fā)生的熱量將足以改變器件的特性。脈沖激勵信號的使用還要求儀器能夠?qū)崿F(xiàn)更快的測量。

　　高速與積分ADC的比較

　　傳統(tǒng)上精密的SMU(信號源測量單元)均采用了積分式的模擬/數(shù)字變換器(ADC)，這可以讓信號在一定時間間隔(稱為積分時間)內(nèi)平均。圖1描述了一種經(jīng)過簡化的雙斜率積分ADC，其基本工作原理是用未知的信號對電容充電，然后在基準(zhǔn)電壓下讓電容放電。充電和放電的時間的比例與未知信號與基準(zhǔn)信號間的比例成正比。雖然這一ADC技術(shù)可以提供很高的精度和對噪聲的出色耐受能力，但電容的充電-放電循環(huán)會造成測量的間隔過長(至少50µs)，這會讓測量速度大大降低。相比之下，高速ADC能夠以高達(dá)1MHz的猝發(fā)速率來對信號進(jìn)行采樣。與積分ADC不同的是，這些高速的ADC采用了類似于示波器的采樣技術(shù)，即可以獲取隨時間變化的信號的快照。它們可以提供高于示波器的分辨率(分別為18位和8位)，從而可以以與之相當(dāng)?shù)膸拋硗瓿筛_的瞬態(tài)特性測量。

　　圖2示出了積分和高速ADC所獲取的結(jié)果之間的差異。雖然高速的ADC可以返回更多的讀數(shù)，但這些測量的精度和可重復(fù)性要低于使用積分ADC所完成的測量。要求更高吞吐率的應(yīng)用可以容忍較低的精度，或者，可以通過對若干次讀數(shù)的平均來改善其精度。一般情況下，采用積分速率為0.01PLC或者更高的積分ADC進(jìn)行的測量可以達(dá)到的精度，相當(dāng)于采用高速ADC所達(dá)到的精度。更新的、集成了兩個高速ADC的SMU設(shè)計可以同時完成電壓和電流的測量。采用這些技術(shù)時，同時具備高速ADC和先進(jìn)的觸發(fā)模式的特點則可以支持對脈沖信號的精確時變特性測量。例如，吉時利的2651A型大功率系統(tǒng)SourceMeter儀器可以完成與源操作異步的測量，例如可以在脈沖之前、脈沖過程中或者脈沖之后來進(jìn)行。

　　對于某些應(yīng)用而言，如功率二極管和LED的熱阻抗測量，獲取所測量出的脈沖頂部位置處的電壓曲線的斜率就顯得很重要。這一功能對于脈沖幅值的平坦度的測量而言也很有用。當(dāng)測量與信號源同步時，高速ADC可以對脈沖的頂部進(jìn)行數(shù)字化(圖3a)。

　　異步的觸發(fā)對于在脈沖頂部進(jìn)行的點平均測量而言非常有效(圖3b)。人們往往要用分析軟件來對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以改善精度，但更新的SMU設(shè)計提供了平均和中值濾波器，它們可以作用于高速ADC的讀數(shù)，從而使之返回點平均測量。

　　有時，對脈沖通過器件或者系統(tǒng)時的傳輸特性的測量也很有意義。這些應(yīng)用需要對整個脈沖進(jìn)行數(shù)字化，包括其上升沿和下降沿(圖3c)。通過高速ADC來進(jìn)行異步于源操作的測量，就可以完成這種測量。

　　有時可以用脈沖來向器件提供功率應(yīng)力。在這些應(yīng)用中，在施加應(yīng)力前記錄器件的狀態(tài)非常有用。這可以通過如下方法來實現(xiàn)：編程設(shè)定一個具有非零空置電平(idle level)的脈沖，并在觸發(fā)脈沖前先觸發(fā)測量操作(圖3d)。用戶可以規(guī)定脈沖出現(xiàn)前多長時間應(yīng)該啟動測量?？梢岳枚〞r器來對測量的起點以及脈沖的起止點進(jìn)行編程設(shè)定。

　　在使用脈沖測試來對器件施加應(yīng)力時，還必須在施加應(yīng)力后進(jìn)行器件的特性測量。這一般是通過在脈沖到來后輸出一個預(yù)先定義的測試電壓或者電流來完成的(圖3e)。測試電平的選擇，應(yīng)當(dāng)不至于造成對器件的任何附加的熱或者電應(yīng)力。測量的實現(xiàn)方法可以是：信號源輸出一個非零空置電平的脈沖，同時利用高速ADC來執(zhí)行測量。從高速ADC獲得的結(jié)果指示了器件是如何從應(yīng)力作用中恢復(fù)的。