如何用高速A/D转换器测量脉冲波形

采用脉冲信号的产品方阵不断增长，包括当前能效更高的IC、开关电源和逆变器，乃至LED模块和子组件；相应的，对于这些最终产品而言，其分立的组成部件在脉冲条件下的测量变得极为重要。仅具备DC源输出能力的测试仪器给器件施加的功率所发生的热量将足以改变器件的特性。脉冲激励信号的使用还要求仪器能够实现更快的测量。

高速与积分ADC的比较

传统上精密的SMU(信号源测量单元)均采用了积分式的模拟/数字变换器(ADC)，这可以让信号在一定时间间隔(称为积分时间)内平均。图1描述了一种经过简化的双斜率积分ADC，其基本工作原理是用未知的信号对电容充电，然后在基准电压下让电容放电。充电和放电的时间的比例与未知信号与基准信号间的比例成正比。虽然这一ADC技术可以提供很高的精度和对噪声的出色耐受能力，但电容的充电-放电循环会造成测量的间隔过长(至少50µs)，这会让测量速度大大降低。相比之下，高速ADC能够以高达1MHz的猝发速率来对信号进行采样。与积分ADC不同的是，这些高速的ADC采用了类似于示波器的采样技术，即可以获取随时间变化的信号的快照。它们可以提供高于示波器的分辨率(分别为18位和8位)，从而可以以与之相当的带宽来完成更精确的瞬态特性测量。

图2示出了积分和高速ADC所获取的结果之间的差异。虽然高速的ADC可以返回更多的读数，但这些测量的精度和可重复性要低于使用积分ADC所完成的测量。要求更高吞吐率的应用可以容忍较低的精度，或者，可以通过对若干次读数的平均来改善其精度。一般情况下，采用积分速率为0.01PLC或者更高的积分ADC进行的测量可以达到的精度，相当于采用高速ADC所达到的精度。更新的、集成了两个高速ADC的SMU设计可以同时完成电压和电流的测量。采用这些技术时，同时具备高速ADC和先进的触发模式的特点则可以支持对脉冲信号的精确时变特性测量。例如，吉时利的2651A型大功率系统SourceMeter仪器可以完成与源操作异步的测量，例如可以在脉冲之前、脉冲过程中或者脉冲之后来进行。

对于某些应用而言，如功率二极管和LED的热阻抗测量，获取所测量出的脉冲顶部位置处的电压曲线的斜率就显得很重要。这一功能对于脉冲幅值的平坦度的测量而言也很有用。当测量与信号源同步时，高速ADC可以对脉冲的顶部进行数字化(图3a)。

异步的触发对于在脉冲顶部进行的点平均测量而言非常有效(图3b)。人们往往要用分析软件来对采样数据进行平均，以改善精度，但更新的SMU设计提供了平均和中值滤波器，它们可以作用于高速ADC的读数，从而使之返回点平均测量。

有时，对脉冲通过器件或者系统时的传输特性的测量也很有意义。这些应用需要对整个脉冲进行数字化，包括其上升沿和下降沿(图3c)。通过高速ADC来进行异步于源操作的测量，就可以完成这种测量。

有时可以用脉冲来向器件提供功率应力。在这些应用中，在施加应力前记录器件的状态非常有用。这可以通过如下方法来实现：编程设定一个具有非零空置电平(idle level)的脉冲，并在触发脉冲前先触发测量操作(图3d)。用户可以规定脉冲出现前多长时间应该启动测量。可以利用定时器来对测量的起点以及脉冲的起止点进行编程设定。

在使用脉冲测试来对器件施加应力时，还必须在施加应力后进行器件的特性测量。这一般是通过在脉冲到来后输出一个预先定义的测试电压或者电流来完成的(图3e)。测试电平的选择，应当不至于造成对器件的任何附加的热或者电应力。测量的实现方法可以是：信号源输出一个非零空置电平的脉冲，同时利用高速ADC来执行测量。从高速ADC获得的结果指示了器件是如何从应力作用中恢复的。