測(cè)試應(yīng)用快速擴(kuò)大陣列持續(xù)推動(dòng)源測(cè)量單元儀器技術(shù)

自20年前推出SMU以來，源測(cè)量單元(SMUs)已演變成一個(gè)多用途的儀器類別，人們經(jīng)常要求SMU解決電子行業(yè)應(yīng)用的快速擴(kuò)大陣列：

半導(dǎo)體設(shè)備制造，工藝開發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)/設(shè)計(jì)

電子產(chǎn)品的生產(chǎn)驗(yàn)證，如便攜式無線設(shè)備

器件所需新型先進(jìn)材料的生產(chǎn)和開發(fā)，如太陽(yáng)能電池和高亮度LED

幾乎所有電子設(shè)備的測(cè)試應(yīng)用程序

在探討定義SMU技術(shù)因素之前，精確定義SMU是什么(不是什么)會(huì)很有幫助。本質(zhì)上講，SMU是快速響應(yīng)、能夠回讀電壓和電流的源，具有高精度測(cè)量的能力，緊密地集成在單封閉機(jī)箱內(nèi)。它們?cè)O(shè)計(jì)用于線路和設(shè)備評(píng)估，必須在測(cè)試設(shè)備上(DUT)施加一個(gè)直流信號(hào)，并且需要對(duì)被測(cè)信號(hào)做出響應(yīng)。SMU具有四象限運(yùn)行(圖1)的能力，作為正負(fù)直流電源或吸收(負(fù)載)。它們還提供高度可重復(fù)的測(cè)量，通常具有5½-或6½-的數(shù)字分辨率。 SMU通常對(duì)用于確定被測(cè)設(shè)備I-V特性的電流和電壓進(jìn)行掃描。由于這些優(yōu)勢(shì)，SMU已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，并且是許多自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的通用部件。

圖1 四象限SMU設(shè)計(jì)

有些主張與此相反，認(rèn)為傳統(tǒng)儀器在測(cè)試與測(cè)量行業(yè)仍然是一個(gè)重要的、逐漸增多的部件。雖然特定的通信接口(GPIB，RS - 232等)可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而過時(shí)，但是在系統(tǒng)中單獨(dú)使用或與其它SMU集成使用的基于儀器的SMU，通常為寬范圍需求的應(yīng)用提供最快、最準(zhǔn)確、最靈活的解決方案。“部件”SMU往往犧牲他們的性能以提供一個(gè)特定的外形因子。

最寬的可用功率和信號(hào)范圍

針對(duì)多類型裝置的測(cè)試，期望測(cè)試設(shè)備具有工作在寬范圍信號(hào)等級(jí)的能力。例如，功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電阻非常低，通過極大的電流，但是關(guān)斷時(shí)的電阻非常高，并允許流過幾乎為零的電流。MOSFET處于開通狀態(tài)時(shí)，電流高達(dá)幾十安培，關(guān)斷時(shí)電流可能小于納安培。功率二極管和高亮度發(fā)光二極管具有相似的動(dòng)態(tài)范圍要求，其全部特性也相似。對(duì)于這類器件，當(dāng)施加的正向偏置電壓低于閾值電壓時(shí)，流過器件的電流非常低。當(dāng)電壓從0V至閾值電壓掃描時(shí)，器件的電流從亞納安范圍上升到毫安級(jí)。當(dāng)偏置電壓達(dá)到并超過閾值電壓時(shí)，測(cè)試電流快速增加，達(dá)到幾十甚至幾百安培，這個(gè)電流值取決于設(shè)備。期望測(cè)試設(shè)備能在寬范圍內(nèi)具有精確測(cè)量的能力，這樣可以減少所需測(cè)試設(shè)備的數(shù)量，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

圖2 吉時(shí)利SMU和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的動(dòng)態(tài)范圍比較

吉時(shí)利數(shù)字源表®儀器結(jié)合了大部分單一儀器最寬范圍信號(hào)的最大能力。型號(hào)2651A高功率源表可提供高達(dá)200W的直流電源和2000W的脈沖功率。它可以測(cè)量高達(dá)50A的電流，具有最大分辨率為1pA的測(cè)量能力。型號(hào)2636A動(dòng)態(tài)范圍上領(lǐng)先于行業(yè)，具有測(cè)量10A降至1fA信號(hào)的能力，提供160位電流分辨率。

一些基于SMU儀器的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手宣稱，型號(hào)2636A雙通道系統(tǒng)源表儀器具有相同的動(dòng)態(tài)覆蓋范圍，測(cè)量10A降至10fA的信號(hào)。然而，當(dāng)比較每一個(gè)SMU(圖2)測(cè)量范圍時(shí)，很明顯型號(hào)2636A在電流幅值上比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著型號(hào)2636A不是必須依賴其測(cè)量范圍的最低有效位和最低精度位來實(shí)現(xiàn)真正的寬動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于儀器用戶，在低電流測(cè)量的準(zhǔn)確度方面提供了更大的信心。

部件SMU的供應(yīng)商也宣稱他們的寬范圍覆蓋性。然而，這些外形因子限制了他們的動(dòng)態(tài)范圍，使其比基于SMU的Keithley儀器小幾十倍。在高端范圍，他們受限于設(shè)備能夠提供多大的功率，大多數(shù)部件SMU最大輸出100mA的電流。在低端范圍，對(duì)于各種實(shí)際的低壓測(cè)量，所有設(shè)計(jì)在較小空間、具有不充分屏蔽的線路的電磁干擾會(huì)產(chǎn)生過多的電噪聲。結(jié)果就是通?？床坏讲考MU的任何電流低于10微安。

最快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

測(cè)試設(shè)備制造商總是盡力推動(dòng)從SMU每秒讀出更多的讀數(shù)。SMU的數(shù)字引擎得到升級(jí)，通信信道的帶寬增加，但最終提高速度最有效的方法就是降低測(cè)量本身的時(shí)間。由于卓越的抗噪能力，大多數(shù)SMU使用積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來進(jìn)行測(cè)量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結(jié)果。然而，從積分ADC得到的測(cè)量的質(zhì)量直接與時(shí)間相關(guān)，因?yàn)樗黄冗\(yùn)行的很快，因此測(cè)量的質(zhì)量被降低。

通過將輸入信號(hào)的值轉(zhuǎn)換為輸入電壓電平給電容充電的時(shí)間和反極性參考電壓給電容放電的時(shí)間之間的關(guān)系，那么積分ADC能夠產(chǎn)生杰出的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙斜率積分ADC，這種關(guān)系表示為Vin = VREF(td / tc)，其中Vin是被測(cè)信號(hào)，Vref是參考電壓，td是電容放電時(shí)間，tc是電容充電的時(shí)間。通過對(duì)電容充電一段時(shí)間，輸入信號(hào)的噪聲尖峰經(jīng)過平均后輸出，因此在測(cè)量中最大程度地減少了噪聲，提高了精度。對(duì)充放電周期中固定速率時(shí)鐘的時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此來測(cè)量電容進(jìn)行充放電的時(shí)間。假定tc和td為時(shí)鐘周期數(shù)，由這個(gè)方程可以看出，精度是由電容充電(tc)的時(shí)間所提供的。當(dāng)允許流過更長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，tc計(jì)數(shù)變得更大，它提高了參考電壓(Vref)被拆分的步長(zhǎng)數(shù)。簡(jiǎn)單地說，tc計(jì)數(shù)變長(zhǎng)，測(cè)量的分辨率將會(huì)增加。

從這個(gè)等式可以看到儀器制造商可控制的變量是充電時(shí)間(tc)。為了加快測(cè)量，有必要允許積分ADC具有更少的充電時(shí)間，但是這樣做會(huì)降低測(cè)量的分辨率。吉時(shí)利數(shù)字源表儀器使用積分ADC，但是為了應(yīng)對(duì)速度提升帶來的分辨率的損失，他們引入了具有增強(qiáng)型多斜坡降低方法的積分ADC來替代更多的傳統(tǒng)的雙斜率方法。增強(qiáng)型多斜率下降積分ADC采用了多種創(chuàng)新技術(shù)以加快放電時(shí)間，允許在不降低充電時(shí)間的前提下提高速度，這樣就保證了最終的測(cè)量分辨率。這種類型的積分ADC如何工作已超出本文的范圍，但可在其它地方找到完整的描述。使用多斜率下降方法的創(chuàng)新技術(shù)允許吉時(shí)利使用積分型ADC的 SMU得到業(yè)界最快的高分辨率讀數(shù)。

吉時(shí)利2600A系列數(shù)字源表儀器使用增強(qiáng)型多斜率下降積分型ADC，具有每秒讀取20000個(gè)讀數(shù)的能力。然而，對(duì)于需要更快測(cè)量的應(yīng)用，積分ADC損失了分辨率和精度，因此必須使用不同類型的ADC。