電源測量單元(SMU)

SMU是一種精確供電設(shè)備，它不僅可以提供測量分辨率小于1mV的電壓源，還可以提供測量分辨率低于1uA的電流源。SMU還提供了遠(yuǎn)端檢測功能并擁有集成了雙極型電壓和吸收功率能力的四象限輸出功能。最后，SMU可以提供線性掃描電壓和掃描電流，能夠獲得儀器的IV特性曲線。目前，SMU已經(jīng)廣泛使用于工業(yè)中，并且成為了許多自動化測試系統(tǒng)中的常用組成部件。需要了解更多SMU精確特性及其相關(guān)應(yīng)用的信息，請閱讀下面對應(yīng)的段落。

使SMU區(qū)別于其它標(biāo)準(zhǔn)電源器件的最顯著的特性就是它的高精度。精度定義為可重復(fù)性或可再生性。在考慮到儀器的精度時，請記住兩個與其相關(guān)的主要特性：靈敏度和精確度。

靈敏度

靈敏度定義為儀器可以被檢測到的最小的可測量(或可提供)的變化值。也就是說，靈敏度就是能夠在設(shè)備的輸出端設(shè)置的最小增量，或能在設(shè)備的輸入端檢測到的最小增量。SMU 提供了多個電壓電流范圍供用戶設(shè)置和讀取，所以比標(biāo)準(zhǔn)的電源器件具有更高的靈敏度。例如，NI PXI-4130 SMU就提供了從2A到200 μA 的5個電流范圍。

精確度

精確度是指電源給出的電壓電流值或者測量值的最大不確定性。絕對精確度是以一個標(biāo)準(zhǔn)的有效讀取值作為參考而獲得的。通常，對電源供給和測量兩個方面，SMU都具備小于等于輸出設(shè)定值0.1%的精確度。譬如，PXI-4130功率SMU的200μA量程的準(zhǔn)確度達(dá)到了0.3%。

遠(yuǎn)端電壓檢測

在精確的供給或測量電壓的應(yīng)用中，一個最重要的問題就是，待測設(shè)備(DUT)中導(dǎo)線阻抗對測量到的電壓值的影響。導(dǎo)線阻抗是無法消除的，在涉及到長距離細(xì)導(dǎo)線的應(yīng)用中，它就能夠造成很大的影響。雖然通常鉛阻抗都不會超過幾歐姆，但是這些小阻抗卻可能對加在DUT上的電壓產(chǎn)生巨大的作用。尤其當(dāng)DUT的內(nèi)部阻抗很小的時候，這種現(xiàn)象尤為明顯。

圖1顯示了一個普通電路，包含一個電壓源儀器、導(dǎo)線和一個DUT。在這個例子中，假設(shè)從電壓源連接到DUT的正極和負(fù)極導(dǎo)線的鉛阻抗都為1 ?。

圖1. 典型的可編程電源器件的連接圖

假設(shè)電源器件的輸出為5V，DUT的阻抗為1k。按照下列公式，可以計算出DUT終端的實際電壓：



在這種情況下，電壓實際只有4.99V。對某些器件而言，這種小的變化是微不足道的；然而，對那些需要高精度操作電壓的應(yīng)用而言，這樣的誤差可能變得非常重要。此外，對那些低輸入阻抗的設(shè)備來說，這將極大地降低導(dǎo)線端待測設(shè)備上電壓的變化。表1中列出了當(dāng)DUT輸入阻抗降低時，DUT兩端的電壓值：

表1. 阻抗不同的DUT上獲得的電壓


這種導(dǎo)線阻抗引起的電壓誤差，可以通過遠(yuǎn)端檢測來解決，也就是4-線檢測。這種技術(shù)直接測量DUT兩端電壓，并進(jìn)行相應(yīng)補償，可以去除導(dǎo)線阻抗上的電壓降。這種方法類似于數(shù)字萬用表(DMM)采用的4-線阻抗測量方法，以消除阻抗測量中導(dǎo)線阻抗帶來的影響。電源和DMM在輸出端都有兩個額外的接線端，用于這種4-線遠(yuǎn)端檢測技術(shù)。這些額外接線端直接連接到DUT上。雖然用于遠(yuǎn)端檢測的導(dǎo)線中仍然存在導(dǎo)線阻抗，但是電壓測量是處于高阻狀態(tài)的，所以沒有電流會從檢測導(dǎo)線中流過，因此也將不存在電壓降。

SMU通常具備了遠(yuǎn)端檢測的能力，以充分利用它們所提供的增強(qiáng)的電壓靈敏度。PXI-4130 SMU上就具備遠(yuǎn)端檢測能力（也稱為”開爾文檢測”），并可以在軟件中設(shè)置其開關(guān)狀態(tài)。

4-象限操作（供能和吸能）

SMU的另外一個特性便是輸出的靈活性。SMU具有4象限輸出，可以提供正電壓正電流(第一象限)、負(fù)電壓正電流(第二象限)、負(fù)電壓負(fù)電流(第三象限)和正電壓負(fù)電流(第四象限)。典型地，SMU的數(shù)據(jù)手冊中會包含一幅與圖2類似的象限圖，顯示了在每個象限內(nèi)可使用的最大電壓和電流。吸收象限區(qū)中通常采用一條實線表征持續(xù)功率耗散，采用一條虛線表征在脈沖模式下吸收電流的能力。理解這種差異是很重要的，因為SMU的持續(xù)功率耗散能力可能比它的脈沖耗散能力要小得多。

對那些同時需要電源供給和吸收的應(yīng)用（例如測試充電電池的充電周期，或者測試數(shù)字半導(dǎo)體器件管腳上的輸出短路電流）而言，4-象限操作功能是非常必要的。PXI-4130可以在I和III象限區(qū)提供40W的功率，在II和IV象限區(qū)可以吸收10W的功率。

圖2. NI PXI-4130 Power SMU通道1的象限圖