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您是否在準(zhǔn)確測定氮化鎵器件的皮秒量級(jí)上升時(shí)間?

發(fā)布時(shí)間:2020-12-15 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】當(dāng)測定氮化鎵(GaN)晶體管的皮秒量級(jí)上升時(shí)間時(shí),即使有1GHz的觀察儀器和1GHz的探針仍可能不夠。準(zhǔn)確測定GaN晶體管的上升和下降時(shí)間需要細(xì)心留意您的測量設(shè)置和設(shè)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(jìn)行準(zhǔn)確測量的最佳實(shí)踐方法。
 
在訂購LMG5200評(píng)估模塊(EVM)之前,請(qǐng)確認(rèn)您的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備可準(zhǔn)確測量基于GaN(美國能源部認(rèn)為是“基礎(chǔ)性”技術(shù),可更好地利用我們的能源資源)的寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體產(chǎn)品,如LMG5200。如果您的設(shè)備看起來像此處展示的設(shè)備,那么您可能需要升級(jí)您的觀察儀器和探針。
 
測量WBG半導(dǎo)體的電壓轉(zhuǎn)換需要具有足夠測量帶寬的設(shè)備。示波器帶寬的特點(diǎn)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(hào)的1/√2或0.707。一般而言,如果輸入信號(hào)的帶寬等于觀察儀器的帶寬,那么示波器會(huì)有30%的振幅衰減誤差。如果您在使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO),則采樣率會(huì)強(qiáng)行增加其它限制條件。例如,當(dāng)所有的四個(gè)通道都被占用并且奈奎斯特采樣定理要求適用時(shí),一個(gè)四通道、1Gs/秒的DSO通常僅擁有250Ms/秒的能力!作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則,如果觀察儀器的額定帶寬是X,那么您能如實(shí)測量(誤差在3%以內(nèi))的最大信號(hào)頻率是X/3。要使誤差僅為1%,您的信號(hào)帶寬應(yīng)該不超過X/5。
 
此外,示波器探針也會(huì)增加測量的誤差,可將其建模成一個(gè)電阻器—電容器(RC)低通電路。更重要的是,在測量開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)您不是在看一個(gè)純正弦波,那么開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升和下降時(shí)間的有效帶寬是多少呢?在數(shù)學(xué)上,您可以把探針的輸出估值為應(yīng)用的電壓步驟,如方程式1所示:
 
Vout = Vin(1-e^t/RC)(1)
 
上升時(shí)間在很多時(shí)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(shí),10%的點(diǎn)當(dāng)時(shí)是0.1RC,90%的點(diǎn)是2.3RC,并且由于探針的時(shí)間常數(shù)是1/2πfRC,所以帶寬的表達(dá)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(jì)算得出:帶寬 = 0.35/tr
 
這種關(guān)系使您能根據(jù)上升時(shí)間來評(píng)估信號(hào)的等效帶寬。例如,倘若您希望自己的GaN器件在500ps的時(shí)間內(nèi)打開,那么您需要一個(gè)能實(shí)現(xiàn)0.35/500ps(700MHz)的觀察儀器 —— 而且您還需要一個(gè)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(qǐng)一個(gè)和的平方根(RSS),以便基于本文中所述相關(guān)測量設(shè)備的統(tǒng)計(jì)誤差來評(píng)估實(shí)際上升時(shí)間。
 
為了確認(rèn)預(yù)期的需求,筆者評(píng)估了三種測量設(shè)置。第一種設(shè)置具有100MHz/500Ms/秒的手持式TekScope;第二種設(shè)置是500MHz/2.5Gs/秒的DPO4051;第三種設(shè)置是1GHz/5Gs/秒的MDO4104-6。經(jīng)過筆者的設(shè)置,LMG5200在電流為5A時(shí)可將24V的電壓轉(zhuǎn)換成12V的電壓。開關(guān)頻率被設(shè)定為1MHz;52%的占空比很有必要,因?yàn)樾柩a(bǔ)償功率級(jí)的損失。筆者測得功率轉(zhuǎn)換的效率為~96%。
 
為測定上升時(shí)間,筆者使用了觀察儀器游標(biāo)。如果想用觀察儀器來計(jì)算上升時(shí)間,一定要設(shè)置采樣率以采集足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。奈奎斯特定理要求至少有兩到三個(gè)采樣點(diǎn),但筆者建議在上升沿要有四個(gè)或五個(gè)采樣點(diǎn)。這表明,如果上升時(shí)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)也可能低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),這取決于制造商、設(shè)置校準(zhǔn)以及觀察儀器和探針的老化程度。根據(jù)測試筆者會(huì)說,為了測量WBG開關(guān)轉(zhuǎn)換,1GHz的系統(tǒng)帶寬是絕對(duì)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(shù),圖1所示100MHz的觀察儀器測得的上升時(shí)間為3ns —— 這顯然是不夠準(zhǔn)確的測定值,因?yàn)楫?dāng)與圖2所示1GHz帶寬的系統(tǒng)的測定值相比較時(shí),您會(huì)發(fā)現(xiàn)后者測得的上升時(shí)間為780ps。而500MHz的觀察儀器測得的上升時(shí)間為1ns。
 
您是否在準(zhǔn)確測定氮化鎵器件的皮秒量級(jí)上升時(shí)間?
圖1:100MHz的觀察儀器系統(tǒng)(可測量LMG5200開關(guān)節(jié)點(diǎn),同時(shí)還可在1MHz的頻率下將24V的電壓轉(zhuǎn)換成12V的電壓,上升時(shí)間等于3ns)
 
您是否在準(zhǔn)確測定氮化鎵器件的皮秒量級(jí)上升時(shí)間?
圖2:LMG5200開關(guān)節(jié)點(diǎn)的100 GHz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(shí)間等于780ns)
 
采用前面討論的RSS方法,可計(jì)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(zhǔn)確測定上升時(shí)間(誤差在1%以內(nèi)),需要4GHz的系統(tǒng)測量帶寬!假如這種設(shè)備可用,那么筆者測得的780ps的上升時(shí)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(guān)的輻射發(fā)射。
 
 
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