改善任意/函數產生器 的應用
許多的電子設計應用需要高振幅輸出，其要求都超越今日市面上大部分任意/函數產生器所提供的振幅範圍。這些應用包括功率半導體，例如汽車電子系統和交換式電源供應器中廣泛使用的MOSFET和IGBT，或是氣相層析和質譜儀偵測器的放大器，以及科學和工業中的其他應用。
任意/函數產生器通常提供高達10 Vpp至50 ?負載及20 Vpp至開路的振幅，上述這些裝置常常需要兩倍的輸入範圍運作。直到現在，以完整運作範圍測試這些裝置常需要外接放大器，以增強標準產生器提供的訊號振幅。但這提高測試設定的複雜性，且放大器輸出的有效振幅會產生不確定性，因而增加了設備成本。
傳統途徑
@內文;圖一顯示標準任意/函數產生器的典型量測設定，利用額外的放大器，將振幅放大到所需的等級；產生器輸出連接至放大器輸入。某些放大器允許設定輸入以及輸出，以配合不同來源和 負載阻抗。升壓放大器通常未配備顯示器，因此必須使用示波器或其他量測裝置，對有效輸出振幅進行監控。這架構增加了量測設定的複雜性，且需要更多量測時間，特別是當振幅位準在測試前及測試期間進行調整和驗證的時候。
量測功率MOSFET的切換時間
功率MOSFET應用
功率MOSFET用於各種汽車運動控制、電源管理和氣候控制應用，可驅動小型馬達、電磁線圈、防鎖死煞車、電子動力轉向和電子車身穩定系統，以及H.I.D頭燈的啟動電路。功率MOSFET也是整合式啟動器/交流發電機的主要元件。
| 《圖二 DC馬達驅動中的4 MOSFET H-bridge配置示意圖》 |
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圖二顯示的範例，是在H-bridge網路結構中使用MOSFET來驅動DC馬達，這項配置提供前進、倒退與煞車等功能。
MOSFET技術簡要
當用作開關時，MOSFET的基本功能可透過閘極訊號控制漏極電流。在這些應用中，電路設計人員在選擇元件時，會將切換時間視為重要標準。MOSFET的切換效能，取決於其整個內部電容改變電壓所需的時間，如圖三所示。值得注意的是，閘至源極電壓必須先將MOSFET的輸入電容，充電至其特性臨界值，才能開始傳導漏極電流。
任意/函數產生器量測MOSFET電路
我們感興趣的時間相關參數是啟動與關閉延遲，以及上升與下降時間。若要量測這些參數，會以訊號產生器輸入產生的窄脈衝激發MOSFET的閘極。閘極與汲極電壓是使用示波器量測，如圖四所示。
| 《圖四 功率MOSFET的量測切換時間設定示意圖》 |
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使用具備整合高振幅輸出階段的任意/函數產生器，而非使用外部放大器，可為使用者提供MOSFET輸入電路有效訊號振幅的直接能見度，而無須使用示波器量測。
現在可以便利的方式啟動延遲，透過對示波器畫面上顯示的軌跡，進行游標量測測定。啟動延遲是從閘到源極電壓到達其最終值的10％、到漏到源極電壓減少至其初始值的90％，其中間所經過的時間。同樣地，關閉延遲是從閘到源極電壓減少至其先前等級的90％、到漏到源極電壓增加至供電壓的10％，其中間所經過的時間。若要量測汲極訊號的上升與下降時間，現代的示波器可提供便利的自動化量測。
| 《圖五 任意/函數產生器直接在顯示幕上顯示振幅示意圖》 |
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分析IGBT的切換波形
IGBT應用特性
近年來，在工業與汽車應用中不斷增加使用絕緣閘雙極電晶體（IGBT），作為MOSFET的替代品，這是由於IGBT具有高切換速度、高電流容量、高阻隔電壓，以及簡單的閘極驅動特性，但啟動狀態中則具備更低的傳導損耗和電壓降。
IGBT的工業應用包括牽引裝置、變頻馬達驅動器、不斷電系統（UPS）、感應加熱、焊接，以及電信與伺服器系統中的高頻切換模式電源供應器。在汽車產業中，在點火線圈驅動電路、馬達控制器和安全相關系統方面，IGBT的需求相當大。
IGBT技術簡要
IGBT是介於雙極性電晶體和MOSFET間的電晶體。在輸出切換和傳導特性方面，IGBT類似於雙極性電晶體。不過，雙極性電晶體是以電流控制，IGBT則像MOSFET一樣，是以電壓控制。為確保完全飽和與限制短路電流，一般建議使用+15V的閘極驅動電壓。
具電容特性的IGBT
如同MOSFET，IGBT在閘極、射極和集電極間具有電容特性。在閘極和射極終端間施用電壓時，輸入電容會以指數形式透過閘極電容RG充電，直到IGBT的特性臨界值電壓，到達產生集電極到射極傳導的程度。同樣地，在集電極到射極傳導中斷、以及IGBT關閉前，輸入閘極到射極電容也必須放電至特定平台電壓。
IGBT閘極電阻特性
閘極電阻的大小，會對IGBT的動態啟動與關閉特性，造成極大的影響。較小的閘極電阻，可以更快的速度，將IGBT的閘道射極電容充電和放電，進一步縮短切換時間，並減少切換損耗。不過，由於IGBT的閘極到射極電容和引線的寄生電感，小的閘道電容值也會造成振盪。若減少關閉損耗，提高IGBT對雜訊因集電極到射極電壓變更率而注入的雜訊，電容負載的此種雜訊可能很多的免疫力，我們建議閘極驅動電路包含相當程度的開關偏差。
任意/函數產生器分析IGBT切換波形
IGBT的最佳效能隨應用不同，閘極驅動電路必須依應用設計。在馬達驅動或不斷電系統等硬式切換應用中，必須選擇閘極驅動參數，讓切換波形不超過IGBT的安全工作區。這暗示著以產生切換損失來達成切換速度。在軟式切換應用中，切換波形非常符合安全操作範圍，可設計切換時間短和較低切換損耗的閘極驅動器。
分析IGBT閘極切換特性
若要達成IGBT閘極驅動的最理想設計，設計工程師必須瞭解在實際負載狀況下，裝置的切換特性。若要分析這些切換特性，可利用一系列的單脈衝激發IGBT的閘極，同時使用示波器量測閘極到射極電壓、集電極到射極，以及集電極電流。由於其產生高振幅脈衝的功能，任意/函數產生器非常適合這項工作。由於IGBT的集電極到射極電壓具備非常高的電容負載動態範圍，量測需要高電壓差動探棒。閘極到射極電壓可使用標準被動式探棒量測；集電極電流可使用非侵入式電流探棒量測。
分析結果的優勢
圖九顯示具電容負載的IGBT的典型切換波形。對於這些波形，設計工程師可判定切換能量、開啟狀態損耗，以及IGBT是否運作於安全工作區內。根據量測資料，工程師可判斷選定的脈衝重複頻率、振幅和邊緣轉態，是否足以達成設計目標。若需要調整，任意/函數產生器前面板上專用的快速鍵，可直接存取所有脈衝參數。這些脈衝參數接著可便利地利用旋鈕或數字鍵修改，而不會有時序干擾和中斷測試的情形。
進行量測時必須考量各種因素，例如探棒本來就具有的傳輸延遲、偏移和雜訊。工程師將發現使用示波器搭配軟體工具，可帶來許多好處。軟體工具可處理探棒相關問題、自動計算切換功率損耗，並判定IGBT的安全工作區。
訊號振幅與負載阻抗
訊號產生器所提供的輸出電壓，取決於相連負載或待測裝置的阻抗。這是因為產生器的輸出阻抗。例如，圖十顯示任意/函數產生器的等效輸出電路。取決於振幅設定，任意/函數產生器儀器提供一定的電流I，如果50?的負載ZDUT連接至產生器的輸出，有一半的I會流經產生器的輸出阻抗ZOUT，而另一半會流經ZDUT。如果ZDUT具備比ZOUT大上許多的阻抗，則幾乎所有的I都會流經ZOUT，產生和50?負載相較下幾乎大上兩倍的輸出電壓。
任意/函數產生器的規格表，通常針對50?和高阻抗負載，說明最大的輸出振幅。例如，任意/函數產生器的輸出振幅指定為50?負載20Vpp，以及40Vpp至開路。如需其他負載阻抗值，可使用下列公式計算最大輸出電壓：
在其標準設定中，任意/函數產生器常設定為50?的負載阻抗。對於其他負載阻抗，可在儀器中設定阻抗值，以顯示正確的振幅和偏移值。在任意/函數產生器系列中，是在輸出功能表裏進行負載阻抗設定，在按下想要的函數鈕後，即可存取這些設定。
| 《圖十一 任意/函數產生器系列上的負載阻抗選擇示意圖》 |
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這裡要注意的是，負載阻抗設定不會變更產生器的輸出阻抗，也不會改變負載阻抗。此設定只會影響到振幅與偏移顯示，並確保儀器顯示相連負載各處有效振幅的正確值。
結語
現代化任意/函數產生器無須使用外接功率放大器，即可直接在50?負載下產生高達20Vpp的訊號振幅。這簡化了測試設定，並降低許多應用中的設備成本。這也可節省量測時間，因為產生器直接在其顯示幕上顯示有效振幅，無須再另外使用電壓表進行量測。除此之外，高振幅任意/函數產生器也能用於測試顯示器、氣相層析放大器、MEMS技術、電磁線圈，以及質譜儀與相關科學應用。
（本文由美商太克Tektronix提供）
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