如何用高速A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量脈沖波形

采用脈沖信號(hào)的產(chǎn)品方陣不斷增長(zhǎng)，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(duì)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(cè)量變得極為重要。僅具備DC源輸出能力的測(cè)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(lì)信號(hào)的使用還要求儀器能夠?qū)崿F(xiàn)更快的測(cè)量。

　　高速與積分ADC的比較

　　傳統(tǒng)上精密的SMU(信號(hào)源測(cè)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(hào)在一定時(shí)間間隔(稱為積分時(shí)間)內(nèi)平均。圖1描述了一種經(jīng)過簡(jiǎn)化的雙斜率積分ADC，其基本工作原理是用未知的信號(hào)對(duì)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(shí)間的比例與未知信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)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(duì)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(cè)量的間隔過長(zhǎng)(至少50µs)，這會(huì)讓測(cè)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(duì)信號(hào)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(shí)間變化的信號(hào)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(cè)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(cè)量的精度和可重復(fù)性要低于使用積分ADC所完成的測(cè)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(duì)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(cè)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(gè)高速ADC的SMU設(shè)計(jì)可以同時(shí)完成電壓和電流的測(cè)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(duì)脈沖信號(hào)的精確時(shí)變特性測(cè)量。例如，吉時(shí)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(cè)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(duì)于某些應(yīng)用而言，如功率二極管和LED的熱阻抗測(cè)量，獲取所測(cè)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(duì)于脈沖幅值的平坦度的測(cè)量而言也很有用。當(dāng)測(cè)量與信號(hào)源同步時(shí)，高速ADC可以對(duì)脈沖的頂部進(jìn)行數(shù)字化(圖3a)。

　　異步的觸發(fā)對(duì)于在脈沖頂部進(jìn)行的點(diǎn)平均測(cè)量而言非常有效(圖3b)。人們往往要用分析軟件來對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以改善精度，但更新的SMU設(shè)計(jì)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(diǎn)平均測(cè)量。

　　有時(shí)，對(duì)脈沖通過器件或者系統(tǒng)時(shí)的傳輸特性的測(cè)量也很有意義。這些應(yīng)用需要對(duì)整個(gè)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(cè)量，就可以完成這種測(cè)量。

　　有時(shí)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(shí)現(xiàn)：編程設(shè)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(cè)量操作(圖3d)。用戶可以規(guī)定脈沖出現(xiàn)前多長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)該啟動(dòng)測(cè)量?？梢岳枚〞r(shí)器來對(duì)測(cè)量的起點(diǎn)以及脈沖的起止點(diǎn)進(jìn)行編程設(shè)定。

　　在使用脈沖測(cè)試來對(duì)器件施加應(yīng)力時(shí)，還必須在施加應(yīng)力后進(jìn)行器件的特性測(cè)量。這一般是通過在脈沖到來后輸出一個(gè)預(yù)先定義的測(cè)試電壓或者電流來完成的(圖3e)。測(cè)試電平的選擇，應(yīng)當(dāng)不至于造成對(duì)器件的任何附加的熱或者電應(yīng)力。測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法可以是：信號(hào)源輸出一個(gè)非零空置電平的脈沖，同時(shí)利用高速ADC來執(zhí)行測(cè)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。