如何用高速A/D轉換器測量脈沖波形

采用脈沖信號的產(chǎn)品方陣不斷增長(cháng)，包括當前能效更高的IC、開(kāi)關(guān)電源和逆變器，乃至LED模塊和子組件；相應的，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實(shí)現更快的測量。

　　高速與積分ADC的比較

　　傳統上精密的SMU(信號源測量單元)均采用了積分式的模擬/數字變換器(ADC)，這可以讓信號在一定時(shí)間間隔(稱(chēng)為積分時(shí)間)內平均。圖1描述了一種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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，然后在基準電壓下讓電容放電。充電和放電的時(shí)間的比例與未知信號與基準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(huì )造成測量的間隔過(guò)長(cháng)(至少50µs)，這會(huì )讓測量速度大大降低。相比之下，高速ADC能夠以高達1MHz的猝發(fā)速率來(lái)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(lèi)似于示波器的采樣技術(shù)，即可以獲取隨時(shí)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的帶寬來(lái)完成更精確的瞬態(tài)特性測量。

　　圖2示出了積分和高速ADC所獲取的結果之間的差異。雖然高速的ADC可以返回更多的讀數，但這些測量的精度和可重復性要低于使用積分ADC所完成的測量。要求更高吞吐率的應用可以容忍較低的精度，或者，可以通過(guò)對若干次讀數的平均來(lái)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)行的測量可以達到的精度，相當于采用高速ADC所達到的精度。更新的、集成了兩個(gè)高速ADC的SMU設計可以同時(shí)完成電壓和電流的測量。采用這些技術(shù)時(shí)，同時(shí)具備高速ADC和先進(jìn)的觸發(fā)模式的特點(diǎn)則可以支持對脈沖信號的精確時(shí)變特性測量。例如，吉時(shí)利的2651A型大功率系統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(guò)程中或者脈沖之后來(lái)進(jìn)行。

　　對于某些應用而言，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(xiàn)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。當測量與信號源同步時(shí)，高速ADC可以對脈沖的頂部進(jìn)行數字化(圖3a)。

　　異步的觸發(fā)對于在脈沖頂部進(jìn)行的點(diǎn)平均測量而言非常有效(圖3b)。人們往往要用分析軟件來(lái)對采樣數據進(jìn)行平均，以改善精度，但更新的SMU設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，從而使之返回點(diǎn)平均測量。

　　有時(shí)，對脈沖通過(guò)器件或者系統時(shí)的傳輸特性的測量也很有意義。這些應用需要對整個(gè)脈沖進(jìn)行數字化，包括其上升沿和下降沿(圖3c)。通過(guò)高速ADC來(lái)進(jìn)行異步于源操作的測量，就可以完成這種測量。

　　有時(shí)可以用脈沖來(lái)向器件提供功率應力。在這些應用中，在施加應力前記錄器件的狀態(tài)非常有用。這可以通過(guò)如下方法來(lái)實(shí)現：編程設定一個(gè)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(hù)可以規定脈沖出現前多長(cháng)時(shí)間應該啟動(dòng)測量?？梢岳枚〞r(shí)器來(lái)對測量的起點(diǎn)以及脈沖的起止點(diǎn)進(jìn)行編程設定。

　　在使用脈沖測試來(lái)對器件施加應力時(shí)，還必須在施加應力后進(jìn)行器件的特性測量。這一般是通過(guò)在脈沖到來(lái)后輸出一個(gè)預先定義的測試電壓或者電流來(lái)完成的(圖3e)。測試電平的選擇，應當不至于造成對器件的任何附加的熱或者電應力。測量的實(shí)現方法可以是：信號源輸出一個(gè)非零空置電平的脈沖，同時(shí)利用高速ADC來(lái)執行測量。從高速ADC獲得的結果指示了器件是如何從應力作用中恢復的。