工業應用中的測量

　　許多電子設計應用要求的激勵源幅度超出了當前市場上大多數任意波形/函數發生器的能力，包括電源半導體應用，如汽車電子系統和開關電源中廣泛使用的MOSFETs和IGBTs，氣相色譜和質譜檢測器使用的放大器，以及科學和工業應用中使用的其它設備。

一般來說，任意波形/函數發生器為50歐姆負荷提供最高10 Vpp的幅度，為開路提供最高20 Vpp的幅度。上述設備通常在兩倍的輸入范圍上工作。直到現在，在整個工作范圍上測試這些設備通常要求使用一臺放大器，來提升標準發生器提供的信號。這種方法提高了測試設置的復雜性，給放大器輸出上的有效幅度帶來了不確定性，增加了設備成本。

本文描述了使用外部放大器生成高幅度信號的傳統方法，然后討論了典型應用，說明了使用集成高幅度階段的新型任意波形/ 函數發生器的各種優勢。

　　傳統方法

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 使用外部放大器時的測量設置

圖1是標準任意波形/函數發生器的典型測量設置，它增加了一臺放大器，把幅度提升到要求的水平。發生器輸出連接到放大器輸入上。某些放大器允許配置輸入和/或輸出，以與不同的源阻抗和/或負荷阻抗相匹配。一般來說，提升幅度的放大器沒有顯示器，因此必須使用示波器或其它測量設備監測有效輸出幅度。這進一步提高了測量設置的復雜性，要求額外的時間，特別是在測試前和測試期間需要調節和檢驗幅度水平時。

測量電源MOSFET上的開關時間

電源MOSFET用于各種汽車運動控制、電源管理和氣候控制應用中。它們驅動小型馬達、螺線管、防抱死剎車、電動轉向和電子穩定編程系統及H.I.D燈使用的點火電路。它們還是集成式起動器/交流發電機的關鍵組件。

　　　　　　　　　　　　　圖2 一個DC馬達驅動器中四個MOSFET的H電橋配置

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 MOSFET示意圖和等效電路。

圖2顯示了驅動DC馬達的H電橋拓撲中使用的MOSFET實例。這一配置提供了前向、后向和制動功能。

在作為開關使用時，MOSFET的基本功能是通過門信號控制漏電流。在這些應用中，開關時間是電路設計人員選擇元件時考慮的一個重要指標。MOSFET的開關性能取決于通過內部電容建立電壓變化所需的時間(參見圖3)。注意，門源電壓必須先把MOSFET的輸入電容變成特性門限電平，然后漏電流才能起動。

　　　　　　　　　　　　　　圖4 測量電源MOSFET開關時間的設置。

　　　　　　　　　　　　　　　圖5 AFG3011直接在顯示器上顯示幅度。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 測量電源MOSFET的開關時間。

與時間相關需要關注的參數是起動時延和關閉時延及上升時間和下降時間。為測量這些參數，應使用來自信號發生器輸入的窄脈沖激勵MOSFET的門，然后使用示波器測量門電壓和漏電壓(參見圖4)。

通過使用集成高幅度輸出階段的任意波形/函數發生器，而不是外部放大器，用戶可以直接查看MOSFET輸入電路上的有效信號幅度，而不需使用示波器測量幅度。

現在，通過示波器屏幕顯示的曲線中的光標測量，可以方便地確定起動時延。起動時延是從門源電壓達到最后值10%時到漏源電壓下降到初始值90%時所需的時間。類似的，關閉時延是從門源電壓下降到前一水平90%時到漏源電壓上升到供電電壓10%時所需的時間。為測量漏極信號的上升時間和下降時間，現代示波器提供了方便的自動化測量功能。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7 IGBT電路符號和等效電路。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8 IGBT門驅動電路和開關測試電路。

　分析IGBT的開關波形

近幾年來，由于高開關速度、高電流功能、大阻塞電壓和簡單的門驅動特點，同時由于較低的傳導損耗及較低的狀態電壓下跌水平，絕緣門雙極晶體管(IGBT)在工業應用和汽車應用中正日益替代MOSFET。

IGBT的工業應用包括牽引、變速馬達驅動器、不間斷電源(UPS)、感應加熱、焊接及電信和服務器系統中的高頻開關式電源。在汽車行業中，點火線圈驅動電路、馬達控制器和安全相關系統對IGBT的需求非常龐大。

IGBT是雙極晶體管和MOSFET的交叉。在輸出開關和傳導特點方面，IGBT與雙極晶體管類似。但是，雙極晶體管是流控式的，IGBT與MOSFET則是壓控式的。為保證完全飽和及限制短路電流，建議門驅動電壓為+15V。

與MOSFET一樣，IGBT在門、發射器和集電極之間有電容。在門端子和發射器端子之間應用電壓時，會以指數方式通過門電阻器RG對輸入電容充電，直到達到IGBT的特性門限電壓，確定集電極到發射器傳導。同樣，輸入門到發射器電容必須被放電到某個高原穩定電壓，然后才能中斷集電極到發射器傳導，關閉IGBT。

門電阻器的尺寸對IGBT的起動特點和關閉特點有著明顯的影響。門電阻器越小，IGBT門到發射器電容充電和放電的速度越快，因此其開關時間短，開關損耗小。但是，由于IGBT的門到發射器電容和引線的寄生電感，門電阻器值小也會導致振蕩。為降低關閉損耗，改善IGBT對通過集電極到發射器電壓變化速率注入的噪聲的免疫力(這種噪聲對電感負荷可能會具有實質性影響)，建議門驅動電路包括實質性的開關偏置。

IGBT的最佳性能隨應用變化，必須相應地設計門驅動電路。在硬開關應用中，如馬達驅動器或不間斷電源，必須選擇門驅動參數，以便開關波形不會超過IGBT的安全工作區。這可能意味著犧牲開關速度，要以開關損耗為代價。在軟開關應用中，開關波形完全落在安全工作區內，可以把門驅動設計成短開關時間及較低的開關損耗。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖9. IGBT的開關波形。

　　為優化IGBT門驅動設計，設計工程師必須了解設備在實際負荷條件下的開關特點。為分析這些開關特點，可以使用一系列單個脈沖激勵IGBT的門，同時使用示波器測量門到發射器電壓、集電極到發射器電壓和集電器電流。由于能夠生成高幅度脈沖，AFG3011任意波形/函數發生器特別適合完成這一任務。由于IGBT的集電極到發射器電壓對電感負荷的動態范圍非常高，因此要求使用高壓差分探頭進行測量。可以使用標準無源探頭測量門到發射器電壓，使用非插入型電流探頭測量集電極電流。
圖9顯示了帶電感負荷的IGBT的典型開關波形。從這些波形中，設計工程師可以確定開關能量、狀態損耗及IGBT是否在安全工作區域內工作。然后根據測量數據，工程師可以確定選定的脈沖重復頻率、幅度和邊沿跳變是否足以實現設計目標。如果需要調節，可以通過AFG3011前面板上的快捷鍵直接進入所有脈沖參數。然后可以通過旋轉旋鈕或數字鍵改變參數，而不會有定時毛刺，也不必中斷測試。

在測量過程中，必須考慮各種因素，如傳播時延(偏移)、偏置和探頭固有的噪聲。工程師將發現，使用的示波器最好帶有軟件工具，能夠處理探頭相關問題，自動計算開關功率損耗，確定IGBT的安全工作區域。

　　信號幅度和負荷阻抗

信號發生器提供的輸出電壓取決于連接的負荷或被測設備的阻抗，其原因在于發生器的輸出阻抗。例如，圖10顯示了AFG3011的等效輸出電路。根據幅度設置，儀器提供了某個電流I。如果50歐姆的負荷ZDUT連接到發生器輸出上，一半的I流經發生器的輸出阻抗ZOUT，另一半流經ZDUT。如果ZDUT的阻抗明顯大于ZOUT，那么幾乎所有I都流經ZOUT，導致輸出電壓幾乎是50歐姆負荷的兩倍。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖10 AFG3011的等效輸出電路。

任意波形/函數發生器的產品技術資料一般會規定50歐姆負荷和高阻抗負荷的最大輸出幅度。例如，AFG3011規定的輸出幅度對50歐姆負荷是20 Vpp，對開路是40 Vpp。對其它負荷阻抗值，可以使用下述公式計算最大輸出電壓：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖11 AFG3000系列上的負荷阻抗選擇。

請注意，負荷阻抗設置既不會改變發生器的輸出阻抗，也不會改變負荷阻抗本身。它只會影響幅度和偏置顯示，保證儀器顯示連接的負荷中正確的有效幅度值。

　　結語

現代任意波形/函數發生器如AFG3011可以為50歐姆負荷生成高達20 Vpp的信號幅度，而不需使用外部提升放大器。這簡化了許多應用中的測試，降低了設備成本。它還節約了測量時間，因為發生器直接在顯示屏上顯示有效幅度，而不必使用伏特計進行單獨測量。

除本指南中描述的測試應用外，還可以使用高幅度任意波形/函數發生器測試顯示器、MEMS技術、螺線管及質譜儀和相關科學應用。