拆解安捷倫電源/測(cè)量單元(SMU)

Dave Jones在5年時(shí)間里，上傳了超過(guò)600個(gè)電子類的視頻。在每周二，Jones會(huì)拆解一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)備(當(dāng)然，有時(shí)候沒(méi)有那么好)，Jones并不是簡(jiǎn)單地把盒子破壞、打開，他會(huì)用他豐富的電子設(shè)計(jì)知識(shí)來(lái)說(shuō)明這個(gè)設(shè)備是怎么設(shè)計(jì)的，為什么要這么設(shè)計(jì)。

這一周，Jones拆解了一臺(tái)安捷倫Agilent B2912A 精密型電源/測(cè)量單元(SMU)，它具備以下性能特性：10 fA/100 nV 最小電源分辨率(61/2 位)，高分辨率的任意波形生成 (10μs最小間隔)，高速數(shù)字轉(zhuǎn)換能力 ( 采樣率最高為 100000點(diǎn)/秒 )，這些精密儀器通常被用來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體器件，并產(chǎn)生我們?cè)跀?shù)據(jù)手冊(cè)上看到的電壓-電流曲線。

(注：Jones把SMU稱作“Shmoo”是比較有意思的，因?yàn)樵缭谏鲜兰o(jì)70年代，Shmoo圖就被用來(lái)表征半導(dǎo)體器件，這一時(shí)間要比SMU的出現(xiàn)早很多，同樣也要比安捷倫早很多。Shmoo是Al Capp在Li’l Abner 連環(huán)漫畫中創(chuàng)造的虛構(gòu)人物，而shmoo圖很像shmoo這個(gè)卡通人物，因此采用了相同的名稱。)

Jones發(fā)現(xiàn)了至少5顆Xilinx器件：3顆Spartan FPGA以及2顆9572XL CPLD(是的，Xilinx還在生產(chǎn)這些CPLD)。安捷倫SMU的處理器板使用了1個(gè)STMicro SPEAR eMPU (ARM Cortex-A9)和1個(gè)Xilinx Spartan-3E XC3S1200E FPGA器件，從板子的布線可以看到，Xilinx FPGA為SPEAR處理器芯片提供了外部I/O的擴(kuò)展，因?yàn)镕PGA處于微處理器和處理器板的邊緣連接器之間。

安捷倫B2912A SMU處理器板。圖片來(lái)源：Dave Jones，EEVblog.com

Jones指出，安捷倫為了后續(xù)處理器板的升級(jí)需要，而把處理器電路從模擬板中分離出來(lái)，這樣可以只升級(jí)處理器板上的快速演進(jìn)的數(shù)字部件，而不需要改變模擬板的設(shè)計(jì)。“他們(安捷倫)想制造一個(gè)適應(yīng)未來(lái)15年發(fā)展的儀器，在這15年里，模擬部分的設(shè)計(jì)不會(huì)過(guò)時(shí)，但是數(shù)字控制器可能需要進(jìn)行升級(jí)”

Jones是對(duì)的。如果把處理器板放在現(xiàn)在來(lái)設(shè)計(jì)，為了對(duì)性能進(jìn)行升級(jí)以及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，安捷倫很可能會(huì)采用Zynq完全可編程的SoC器件來(lái)替代上面STMicro SPEAR處理器芯片，因?yàn)閆ynq SoC器件內(nèi)置了一個(gè)雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器以及可編程邏輯。

安捷倫SMU中有兩塊精密的電壓/電流 電源板，每塊板都有2顆Xilinx可編程器件：一顆是Spartan-6 XC6SLX45 FPGA，另一顆是XC9572XL CPLD。為什么需要兩顆可編程邏輯器件呢?Jones注意到了一個(gè)細(xì)節(jié)，他發(fā)現(xiàn)板上使用了一個(gè)TI ISO7240M雙通道數(shù)字隔離器來(lái)把兩顆可編程器件分開。Spartan-6 FPGA實(shí)現(xiàn)了任意波形發(fā)生器的功能。該FPGA要驅(qū)動(dòng)一個(gè)TxDAC的模擬器件，TxDAC接著要驅(qū)動(dòng)板子的power FETs，power FETs水平分布在板子的中央位置，上面覆蓋著大塊的鋁散熱片。Jones認(rèn)為，CPLD的用途是把儀器處理器板的執(zhí)行命令傳遞給被隔離的Spartan-6 FPGA。

下圖是Jones拍攝的安捷倫SMU模擬板的照片，Spartan-6 FPGA位于右側(cè)大電容的下方，CPLD在兩顆芯片的左邊，TI的數(shù)字隔離器在中間。如果仔細(xì)看，可以看到這些器件附近的絲網(wǎng)印刷的電流隔離線。