LMG5200開關節(jié)點的100 GHz觀察儀器系統(tǒng)

當測定氮化鎵（GaN）晶體管的皮秒量級上升時間時，即使有1GHz的觀察儀器和1GHz的探針仍可能不夠。準確測定GaN晶體管的上升和下降時間需要細心留意您的測量設置和設備。讓我們初步了解一下使用TI最近推出的LMG5200集成式半橋GaN電源模塊進行準確測量的最佳實踐方法。

在訂購LMG5200評估模塊（EVM）之前，請確認您的試驗臺設備可準確測量基于GaN（美國能源部認為是“基礎性”技術，可更好地利用我們的能源資源）的寬帶隙（WBG）半導體產(chǎn)品，如LMG5200。如果您的設備看起來像此處展示的設備，那么您可能需要升級您的觀察儀器和探針。

測量WBG半導體的電壓轉(zhuǎn)換需要具有足夠測量帶寬的設備。示波器帶寬的特點是擁有-3dB的頻率——在該頻率下正弦波（顯示在示波器上）的幅度已下降到輸入信號的1/√2或0.707。一般而言，如果輸入信號的帶寬等于觀察儀器的帶寬，那么示波器會有30％的振幅衰減誤差。如果您在使用數(shù)字存儲示波器（DSO），則采樣率會強行增加其它限制條件。例如，當所有的四個通道都被占用并且奈奎斯特采樣定理要求適用時，一個四通道、1Gs/秒的DSO通常僅擁有250Ms/秒的能力！作為一個經(jīng)驗法則，如果觀察儀器的額定帶寬是X，那么您能如實測量（誤差在3％以內(nèi)）的最大信號頻率是X/3。要使誤差僅為1％，您的信號帶寬應該不超過X/5。

此外，示波器探針也會增加測量的誤差，可將其建模成一個電阻器—電容器（RC）低通電路。更重要的是，在測量開關轉(zhuǎn)換時您不是在看一個純正弦波，那么開關節(jié)點上升和下降時間的有效帶寬是多少呢？在數(shù)學上，您可以把探針的輸出估值為應用的電壓步驟，如方程式1所示：

Vout = Vin（1-e^t/RC）（1）

上升時間在很多時候按輸出轉(zhuǎn)換（其最終值的10％至90％）來表示。采用方程式1時，10％的點當時是0.1RC，90％的點是2.3RC，并且由于探針的時間常數(shù)是1/2πfRC，所以帶寬的表達式可以被確定。

RC = tr/(t90% - t10%) = tr/2.2RC = 1/2πf (2)

因此所需要的帶寬可通過這樣的算式計算得出：帶寬= 0.35/tr

這種關系使您能根據(jù)上升時間來評估信號的等效帶寬。例如，倘若您希望自己的GaN器件在500ps的時間內(nèi)打開，那么您需要一個能實現(xiàn)0.35/500ps（700MHz）的觀察儀器——而且您還需要一個至少有那么多帶寬的探針。知道您的探針和觀察儀器帶寬，您就可以申請一個和的平方根（RSS），以便基于本文中所述相關測量設備的統(tǒng)計誤差來評估實際上升時間。

為了確認預期的需求，筆者評估了三種測量設置。第一種設置具有100MHz/500Ms/秒的手持式TekScope；第二種設置是500MHz/2.5Gs/秒的DPO4051；第三種設置是1GHz/5Gs/秒的MDO4104-6。經(jīng)過筆者的設置，LMG5200在電流為5A時可將24V的電壓轉(zhuǎn)換成12V的電壓。開關頻率被設定為1MHz；52％的占空比很有必要，因為需補償功率級的損失。筆者測得功率轉(zhuǎn)換的效率為～96％。

為測定上升時間，筆者使用了觀察儀器游標。如果想用觀察儀器來計算上升時間，一定要設置采樣率以采集足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)點。奈奎斯特定理要求至少有兩到三個采樣點，但筆者建議在上升沿要有四個或五個采樣點。這表明，如果上升時間少于1ns，那么即便是5Gs/秒的采樣能力仍將是微不足道的。

探針帶寬同樣重要；即使筆者的探針帶寬為1GHz，仍會產(chǎn)生顯著的誤差。注意，在一些情況下，觀察儀器具備的能力可能超過規(guī)定標準也可能低于規(guī)定標準，這取決于制造商、設置校準以及觀察儀器和探針的老化程度。根據(jù)測試筆者會說，為了測量WBG開關轉(zhuǎn)換，1GHz的系統(tǒng)帶寬是絕對最低要求。

那么，筆者有什么發(fā)現(xiàn)呢？采用本文中描述的低電感探測技術，圖1所示100MHz的觀察儀器測得的上升時間為3ns ——這顯然是不夠準確的測定值，因為當與圖2所示1GHz帶寬的系統(tǒng)的測定值相比較時，您會發(fā)現(xiàn)后者測得的上升時間為780ps。而500MHz的觀察儀器測得的上升時間為1ns。

圖1：100MHz的觀察儀器系統(tǒng)（可測量LMG5200開關節(jié)點，同時還可在1MHz的頻率下將24V的電壓轉(zhuǎn)換成12V的電壓，上升時間等于3ns）

圖2：LMG5200開關節(jié)點的100GHz觀察儀器系統(tǒng)（可在1MHz的頻率下將24V的電壓轉(zhuǎn)換成12V的電壓，上升時間等于780ns）

采用前面討論的RSS方法，可計算出：780ps的測定值仍比使用更高帶寬的系統(tǒng)的測定值慢29％。為了準確測定上升時間（誤差在1％以內(nèi)），需要4GHz的系統(tǒng)測量帶寬！假如這種設備可用，那么筆者測得的780ps的上升時間本來可以是600ps——那是40V/ns的壓擺率！在下一篇文章中，筆者將考察精心挑選組件和布局的重要性，以最大限度地減少與這種dv/dt相關的輻射發(fā)射。