什么是源測量單元(SMU)？

概覽

事實上，所有的研究、設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用都需要一個能為正在開發(fā)或測試中的設(shè)備提供能量的儀器。大多數(shù)這類應(yīng)用還必須能夠監(jiān)視這臺設(shè)備所消耗的電壓和電流，來描述設(shè)備的性能或測試設(shè)備是否正常工作。通常，你可以采用一個可編程電源來滿足這兩個要求。這種電源既可以提供恒定的電壓或恒定的電流，也可以讀取相應(yīng)的電壓值或電流值。在這些應(yīng)用中，對于電流的測量而言，毫安級的靈敏度通常就足夠了。

有些應(yīng)用對供給電源和測量的精度的要求就比較高，超出了常用的可編程電源的毫安級電流靈敏度的范圍。譬如，對于我們身邊隨處可見的電子設(shè)備而言，輸入的每一毫安電流都會降低電池的壽命。所以，通常制造商們需要在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中了解它們的特性。于是，具備微安級靈敏度的高精度的電源就成為了最佳選擇。

一些其它應(yīng)用甚至會要求更高的精度和更多的特性。例如半導體檢驗和表征的應(yīng)用中，就需要納安級的電流靈敏度。另外，對更高的靈敏度、更快速度、遠端電壓檢測和四象限輸出的要求，使得傳統(tǒng)的可編程電源難以勝任。在這些需要精確的高精度電源并包含測量功能的應(yīng)用中，源測量單元（SMU）就表現(xiàn)出良好性能。

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。

目錄

精度

遠端電壓檢測

4-象限操作（供能和吸能）

掃描

PXI可編程電源和SMU

精度

使SMU區(qū)別于其它標準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，所以比標準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準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量程的準確度達到了0.3%。

遠端電壓檢測

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)中導線阻抗對測量到的電壓值的影響。導線阻抗是無法消除的，在涉及到長距離細導線的應(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的正極和負極導線的鉛阻抗都為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，這將極大地降低導線端待測設(shè)備上電壓的變化。表1中列出了當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

這種導線阻抗引起的電壓誤差，可以通過遠端檢測來解決，也就是4-線檢測。這種技術(shù)直接測量DUT兩端電壓，并進行相應(yīng)補償，可以去除導線阻抗上的電壓降。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。雖然用于遠端檢測的導線中仍然存在導線阻抗，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線中流過，因此也將不存在電壓降。

SMU通常具備了遠端檢測的能力，以充分利用它們所提供的增強的電壓靈敏度。PXI-4130 SMU上就具備遠端檢測能力（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)、負電壓正電流(第二象限)、負電壓負電流(第三象限)和正電壓負電流(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

雙極

對于歸類為4-象限的電源或SMU而言，它必須具備在同一端口提供正電壓和負電壓的能力。這對描述同時具有正向和反向特性的有源設(shè)備中的擊穿現(xiàn)象是非常重要的。你可以采用一個輸出通道來提供從負到正的掃描電壓，以表征這些正向和反向特性。PXI-4130功率SMU在它的兩極SMU通道上提供了+20 V到-20 V的電壓輸出。

圖3. 典型齊納二極管的電流-電壓曲線，顯示正向和反向擊穿特性

功率吸收

類似的，歸類為4-象限的電源或SMU，不僅必須能夠提供功率，還必須能夠吸收功率。提供功率是指為電路提供激勵，而吸收功率是指消耗外部有源器件(例如電池、充電電容、或另一個電源)提供的功率?？梢耘渲?-象限源，將其設(shè)為吸收電流模式來對電容或電池進行放電。譬如，PXI-4130提供了高達10W的功率吸收能力。

掃描

SMU的主要應(yīng)用是對各種電子器件、半導體設(shè)備和用戶芯片設(shè)計進行表征和分類。通常可以采用將一系列電壓或電流值以掃描方式提供給DUT來實現(xiàn)以上功能。繪制二極管和三極管的IV曲線就是這種應(yīng)用的一個典型案例。在這種應(yīng)用中，給在DUT的兩端提供掃描電壓，并測量其得到的電流。

掃描可以采用多種方式，可以是線性方式或者對數(shù)方式，也可以是自定義方式，直流方式或者脈沖方式。當SMU測量得到的電壓和電流時，以3000S/秒的速度掃描電壓和電流。此外，PXI-4130還提供了一個額外可編程電源作為實用通道，可以提供6V電壓和1A電流。你可以使用該通道為雙極結(jié)型晶體管(BJT)提供基極電流，或者為場效應(yīng)管(FET)提供柵極電壓。圖4描述了NI LabVIEW SignalExpress環(huán)境中，采用PXI-4130 power SMU掃描雙極結(jié)型晶體管得到的IV曲線。

圖4. 使用PXI-4130 Power SM掃描雙極結(jié)型晶體管得到的IV特性曲線

PXI可編程電源和SMU

NI為PXI提供了兩種高精度電源：PXI-4110可編程電源和PXI-4130 功率SMU。雖然它們都只是一塊3U的 PXI模塊，但卻都比其他傳統(tǒng)的電源具備更高的精確度。圖5顯示了這兩種NI高精度電源與傳統(tǒng)可編程電源之間在電流測量靈敏度方面的對比。

圖5. NI公司PXI高精度電源的價格和精度的比較