選擇模塊化源測量單元(SMU)的幾大測量考慮

1. IV范圍

針對設備選用具有適當電壓電流范圍的源測量單元(SMU)對于應用的成功至關重要。IV范圍通常由圖1中象限圖來表示，它指的是SMU可以拉或灌的電壓和電流值。拉和灌這兩個詞描述的是設備的功率流入和流出。拉電流的設備可為負載提供電流，而灌電流的設備就像一個負載，被動吸收流入的電流，且可為電流提供返回路徑。

圖 1.四個象限區(qū)域表示設備拉灌的電流或電壓值

在上面的象限圖中，I和III象限代表設備處于拉電流狀態(tài)，而象限II和IV代表設備處于灌電流狀態(tài)。在象限I和III內(nèi)均能夠拉電流的設備有時也稱其具有兩極性，因為這些設備能夠既能產(chǎn)生正電壓和電流，也能產(chǎn)生負電壓和電流。“四象限SMU”這個詞通常用語描述可拉灌電流的雙極SMU。

例如，NI PXI-4132四象限SMU的最大電壓輸出是100 V，最大電流輸出是100 mA；但是，它不能同時輸出100 V的電壓和100 mA的電流。在這種情況下，象限圖就提供了所需的信息，幫助您輕松地確定SMU可以提供或灌入的最大電壓和電流組合。僅僅是簡單地列出具有多個量程的SMU的最大電壓和電流并無法為您提供足夠的信息來確定該儀器是否符合設備的IV要求。

圖 2.NI PXI-4132 IV 范圍

表1 歸納了每種NI電源和SMU設備每個通道的輸入輸出能力。

表1. NI儀器產(chǎn)品每個通道的輸入輸出能力

2. 精確度

電源或SMU的測量分辨率是指電壓或電流測量中硬件可以檢測到的最小變化。電源或SMU輸出通道的輸出分辨率是指輸出電壓或電流電平的最小可能變化。這些測量通常以絕對單位表示，比如nV 或pA。分辨率通常是由測量所使用的模數(shù)轉換器(ADC)決定，但高精度SMU通常受限于噪聲等其他因素。

靈敏度是指儀器在規(guī)定的條件下能夠檢測到且有意義的給定參數(shù)的最小單位。這個單位通常等于電源或SMU最小量程內(nèi)的測量分辨率。

一般情況下，應該使用SMU的最小量程才能獲得最佳精度。該信息可在儀器的規(guī)范手冊中找到。以下是一個例子：

表 2.NI PXIe-4139電流編程和測量精確度/分辨率

3. 源測量準確度

電源或SMU的測量或輸出電平與實際或要求的值可能會有所不同。準確度表示的是一定測量或輸出電平下的不確定度，也可以指與理想傳遞函數(shù)的偏差，如下所示：

y=mx+b

其中m是指系統(tǒng)的理想增益

x是指系統(tǒng)的輸入

b是指系統(tǒng)的偏置

y 是系統(tǒng)的輸出

該公式用于電源或SMU信號測量時，y是指設備的輸出讀數(shù)值，其中x作為輸入，b為偏置誤差，可在測量之前將其歸零。如果m為 1，b為0, 則輸出測量值等于輸入值。如果m為 1.0001,則測量結果與理想值的偏差是0.01%。

對于大多數(shù)高分辨率、高準確度電源與SMU，準確度是指偏置誤差和增益誤差的組合。這兩種誤差相加可用于確定特定測量的總體準確度。 NI電源與SMU通常以絕對單位（例如mV或μA）來表示偏置誤差，而增益誤差通常是讀數(shù)或請求值的百分比。

SMU的典型源測量準確度等于或低于所設定輸出的0.1％。每個NI SMU儀器的規(guī)范手冊中均有提供這些信息。

表 3.NI PXIe-4139的電壓編程和測量準確度/分辨率

4. 測量速度

測量采集窗口或孔徑時間會直接影響測量速度和精確度。某些SMU可修改儀器的孔徑時間，使您能夠靈活地擴展高精確度測量的采集窗口，或者減小高速采集的窗口。擴展測量孔徑可讓儀器有更多的時間進行采樣和平均，從而降低測量噪聲和提高分辨率。下圖顯示了在不同的電流范圍下測量噪聲與孔徑時間之間的函數(shù)關系。

圖 3.測量噪聲與孔徑時間的函數(shù)關系圖

為了實現(xiàn)高精確度測量，使用的孔徑時間必須既能夠提供適當分辨率，同時仍可最大限度地減少整體測試時間。相反，對于精確度較低的測量或者對線路或負載瞬態(tài)等信號進行數(shù)字化時，應該使用較小的孔徑時間。例如，NI PXIe-4139能夠以高達1.8 MS / s的速率采樣，可幫助您詳細研究SMU輸出的瞬態(tài)特性。取決于電流范圍，當噪聲為1 nA – 10mA時測量速度可達到1.8 MS / s。

5. 源更新率

SMU的更新速決定了SMU輸出電壓或的電流的變化速率。例如，更新率為100 kS / s的SMU能夠每隔10 us為下一個點提供電流。更新速率快的SMU能夠以比傳統(tǒng)SMU快得多的速度執(zhí)行冗長的IV掃描。此外，更新速率快的SMU還可為正弦波等非傳統(tǒng)序列提供電流。

圖 4.通過改變源延遲或者電壓階躍開始和測量開始之間的時間差來控制SMU的更新率。

6. 瞬態(tài)響應

瞬態(tài)響應是指電源對于電壓或電流突變的響應，電壓或電流突變通常是由于負載變化等外部事件或者輸出電壓階躍等內(nèi)部事件引起的。

外部負載變化

外部負載電流的變化會引起電壓急劇變化，使電壓短暫地低于預期電壓輸出。瞬態(tài)響應是指負載電流發(fā)生變化(ΔI)時電源電壓恢復到一定電壓值(ΔV)所需的時間?？焖偎矐B(tài)響應對于移動設備的供電至關重要。待測設備(DUT)消耗的負載電流如果發(fā)生較大的瞬時變化，會導致輸出電壓驟降，隨后通過電源的控制電路將輸出電壓恢復到其原始值。對于典型的可編程電源，這往往需要數(shù)百微秒的時間。而NI PXIe-4154的20µs瞬態(tài)響應（設置為“快速”模式時）能夠使模擬電路在測試過程中迅速響應負載電流的變化。如此短的恢復時間成為許多采用脈沖式通信協(xié)議的無線通信設備的最佳選擇。

圖 5.瞬態(tài)響應的典型定義圖

改變SMU輸出

當SMU輸出改變時，該儀器的瞬態(tài)設置定義了輸出的上升時間以及達到預期輸出并處于穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間。理想的瞬態(tài)響應具有快速上升時間，且沒有任何過沖或振蕩。在許多負載下，需要在瞬態(tài)響應和電源穩(wěn)定性之間進行權衡。如果要獲得最快瞬態(tài)響應，設備應具有高增益帶寬積(GBW)，但增益帶寬積越高，設備在特定負載下變不穩(wěn)定的可能性越高。因此，大多數(shù)設備在許多情況下以犧牲性能為代價來獲得穩(wěn)定性。其他設備可在很小程度上實現(xiàn)自定義，以在不同情況下優(yōu)化性能。例如，許多傳統(tǒng)SMU具有“高容量”模式，專用于與具有高達50 uF電容的設備一起使用的情況。

某些NI SMU采用了稱為NI SourceAdapt的數(shù)字控制回路技術，該技術使您能夠自定義調整SMU的瞬態(tài)響應，從而獲得針對任何給定負載的最佳響應。這提供了最佳源測量單元響應，同時也可實現(xiàn)最短的穩(wěn)定時間，從而縮短了等待時間和測試時間。此外，該技術不僅消除了過壓，保護了待測設備(DUT)，而且也消除了振蕩，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于源測量單元響應的調整是通過編程軟件來完成的，您可以輕松地將針對高速測試的源測量單元重新配置為針對高穩(wěn)定性測試的單元—這樣可以最大化您的測試設備投資回報，以及獲得更好的測試結果。

圖 6.TheNI PXIe-4139具有可配置的瞬態(tài)響應設置，以靈活地對輸出控制回路進行負載補償。

以下表格列出了采用NI SourceAdapt技術的NI SMU型號：

表 4.快速查看采用NI SourceAdapt技術的NI產(chǎn)品。

7. 序列或掃頻

SMU通常有兩種輸出模式：單點或序列。在單點模式下，SMU僅輸出一個值，而在序列模式下，SMU輸出一系列值，并測量每個點的IV數(shù)據(jù)。

單點源模式

單點模式通常是用于捕獲某個值的IV數(shù)據(jù)，比如測試二極管的正向電壓，或者使用SMU為待測設備供電（如以恒定電壓為集成電路供電）。單點模式的用例包括開發(fā)軟件定時的序列，在軟件中循環(huán)運行一系列單點SMU輸出。當SMU在沒有事先計劃的情況下不支持更改特定功能時，軟件定時的序列可以用于代替硬件定時的序列。

序列模式

SMU在序列模式下運行時可輸出一系列硬件定時的值，提供了更快速且更確定的輸出（以及與其他PXI儀器同步）等優(yōu)勢。這一過程包括SMU提供直流電壓或電流，然后測量電壓和電流，接著再循環(huán)至序列中下一個點。取決于SMU功能，您可以更改序列中每一步的輸出電平、電流或電壓范圍、孔徑時間以及瞬態(tài)響應。對于存儲大量序列，SMU提供了兩種方法：專用的板載內(nèi)存和支持從主機到SMU低延遲數(shù)據(jù)流傳輸。例如，NI PXIe-4138和NI PXIe-4139PC通過一個高帶寬低延遲PCI Express連接將數(shù)據(jù)從主機傳輸?shù)絊MU，并可讓您透明地輸出具有數(shù)百萬個設定值和屬性的序列。

序列模式通常用于IV特性記述或老化測試，而且對于那些需要與其他儀器緊密同步的應用（如測試射頻集成電路）通常是必不可少的。

8. 脈沖生成

大多數(shù)使用SMU的半導體測試應用均涉及某種形式的源測量操作。在序列模式下，該過程通常包括SMU提供直流電壓或電流，然后測量電壓和電流，接著再循環(huán)至序列中下一個點?；镜闹绷鲯呙钑赃f增方式逐漸增加輸出，直至完成序列的每個點，如下圖所示，該圖顯示了一個五步電流值序列。

圖 7.基本直流掃描時的五步序列示例

某些應用中，特別是高功率應用中，如果沒有關閉SMU輸出就試圖掃描序列，可能會導致不正確的行為或復雜的測試設置。對于這些應用，SMU的脈沖輸出是首選，因為該輸出可讓您在不同的設定點進行源測量，同時最大限度地減少通過DUT的散熱損失。脈沖掃頻與直流掃描的相似之處在于兩者均包含輸出設定值、等待輸出穩(wěn)定然后進行測量等過程。脈沖測試的不同之處在于，源在經(jīng)過很短的脈沖持續(xù)時間后恢復到偏置電平。在大多數(shù)情況下，設定偏置電平的目的是為了關閉DUT（例如0V或0A）。

圖 8.脈沖輸出可讓源在轉到下一個設定值之前恢復至偏置電平。

在理想條件下，前面兩個圖中的脈沖序列和直流序列應該返回至相同的IV數(shù)據(jù)。然而，如前面提到的，直流序列通過DUT消耗的熱量更多，這會導致不正常的行為和較不理想的測試結果。這也是這些類型的應用優(yōu)先選擇脈沖測試的原因。在脈沖模式下進行測試時，脈沖寬度應該足夠長，使得設備能夠達到全導通狀態(tài)以進行穩(wěn)定的測量，同時脈沖寬度又必須足夠短，以最小化待測設備的自熱效應。在生成脈沖時，快速干凈的SMU響應顯得尤為重要，這是因為SMU總是從脈沖偏置電平開始，而不是以小幅增量逐漸增大輸出。

特定的SMU可讓您生成超出傳統(tǒng)直流電源范圍的脈沖，以滿足需要更高電流的應用。例如，NI PXIe-4139可在50 V電壓下生成高達10 A的脈沖，提供高達500 W的瞬時功率。取決于負載和SourceAdapt控制設置，脈沖寬度可以短至50微秒。短脈沖寬度不僅縮短了測試執(zhí)行時間，而且還可最大程度降低待測設備的散熱，便于測試工程師進行測試，否則可能需要增加散熱器或其它熱控制機制。

圖 9.NI PXIe-4139 IV 范圍

9. 通道密度

模塊化SMU的一個主要優(yōu)點是緊湊的尺寸。傳統(tǒng)SMU配有專門的顯示器、處理器、電源、風扇、旋鈕以及其它冗余組件，使得構建高通道數(shù)系統(tǒng)的過程復雜化。由于模塊化SMU與機箱和控制器共享組件，從而減少了冗余組件，占用空間比傳統(tǒng)儀器要小得多，最終減小了測試系統(tǒng)的體積和功耗。

應用所需的通道數(shù)會隨著時間而變化。傳統(tǒng)箱式SMU的一兩個通道已經(jīng)無法滿足許多應用的需要。半導體行業(yè)的并行IV測試系統(tǒng)更是如此，該測試需要在緊湊的空間中使用大量的SMU通道。借助NI模塊化SMU，您可以將多臺儀器組合在單個PXI機箱中，在19寸4U的機架空間內(nèi)創(chuàng)建多達68個SMU通道的高通道數(shù)解決方案，傳統(tǒng)SMU僅可提供四到八個通道。 PXI平臺的緊湊尺寸和模塊化特性還使您能夠將SMU與其他基于PXI的儀器（如示波器、開關和射頻儀器）相結合，以建立高性能混合信號測試系統(tǒng)。

圖 10.使用高密度NI SMU在單個4U機架內(nèi)構建高達68個SMU通道的系統(tǒng)。

10. 定時和同步

觸發(fā)是啟動設備操作的一種信號。事件是指設備發(fā)出的信號，用于指示某個操作已完成或某個狀態(tài)已達到。您可使用觸發(fā)和事件同步單個NI電源或SMU中的多個操作或者同步與其他PXI/ PXI Express設備的操作。許多應用涉及多種儀器，如示波器、信號發(fā)生器、數(shù)字波形分析儀、數(shù)字波形發(fā)生器和開關。對于這些應用，PXI和NI模塊化儀器的固有定時和同步功能使您無需使用外部電纜即可同步所有這些儀器。

使用該觸發(fā)功能時，您可從以下觸發(fā)類型中進行選擇：

• 開始：源單元測量單元接收到該觸發(fā)后，開始執(zhí)行操作。
• 源：設備接收到該觸發(fā)后，源單元開始修改源配置。
• 測量：測量單元接收到該觸發(fā)開始進行測量。而測量單元進行測量時，該觸發(fā)被忽略。
• 序列前進：完成一次序列迭代后，源單元等待接收到該觸發(fā)后才開始下一次迭代。
• 脈沖：源單元等待接收到該觸發(fā)后，開始從“脈沖偏置”轉換至“脈沖電平”。

PXI平臺針對觸發(fā)進行優(yōu)化的一個例子是NI PXIe-4138/4139模塊。模塊通過PXI機箱背板來發(fā)送和接收觸發(fā)和事件，從而簡化了編程和系統(tǒng)布線。這些模塊還可以實現(xiàn)硬件定時，同時具有高速序列引擎來同步多個SMU之間的握手。

圖 11.用于觸發(fā)和定時的序列引擎圖

NI PXIe-4138與NI PXIe-4139模塊還利用了PXI的高帶寬和低延遲優(yōu)勢，而且支持主機和SMU之間的直接DMA數(shù)據(jù)流傳輸。這使您能夠以儀器的最高更新率(100 KS/s)和采樣率(1.8 MS/s)透明地傳輸大量的波形和測量數(shù)據(jù)，從而消除了傳統(tǒng)儀器總線的帶寬和延遲瓶頸。

11. 軟件、分析功能和自定義化

為應用選擇模塊化SMU時確定軟件和分析功能是非常重要的，因為該因素可以幫助您在兩臺儀器之間做出選擇。

獨立式SMU通常采用基本的寄存器級命令以及供應商定義的功能，而模塊化SMU是用戶可定義的，可靈活地解決應用的需求。箱式SMU提供了許多標準功能，能夠滿足許多工程師的常見需求。不難想象，這些標準功能并不能解決所有的應用需求，特別是對于自動化測試應用。如果您需要定義示波器要進行的測量，則應選擇模塊化SMU，而不是具有固定功能的獨立式SMU，模塊化SMU可利用PC架構的優(yōu)勢，同時也讓您根據(jù)需求對應用進行自定義。

NI SMU可使用免費的NI-DCPower驅動軟件來完全編程。NI-DCPower是一個兼容IVI的儀器驅動程序，隨附于NI電源或SMU中，并可與所有的NI可編程電源和SMU通信。NI-DCPower具有一系列操作和屬性，用于啟動電源或SMU的功能，且該軟件包含了一個交互式軟面板。

圖 12.結合模塊化SMU使用軟面板快速進行測量

除了軟面板，您還可使用NI LabVIEW、NI LabWindows™/ CVI、Visual Basic和.NET在NI-DCPower驅動軟件中編程模塊化SMU，以實現(xiàn)針對各種應用的常見和自定義測量。該驅動程序還可支持LabVIEW內(nèi)基于配置的快速vi。

圖 13.使用LabVIEW軟件編程模塊化SMU

12. 針對高精確度測量的連接功能

使用遙感進行的測量有時也稱為四線感應，需要四條線連接到待測設備（如果開關系統(tǒng)用于擴展通道數(shù)的化，還需要四線開關）。當輸出引線電壓顯著降低時，使用遙感能夠實現(xiàn)更精確的電壓輸出和測量。當遙感用于直流電流輸出功能時，電壓限制值是在感應引線端進行測量，而不是在輸出接線端。使用遙感測量DUT接線端的電壓比近端感應測量更準確。理想情況下，感測導線應盡可能靠近DUT接線端。

另一個要考慮的方面的是隔離(guarding)。隔離是為了消除高輸入(HI)和低輸出(LO)之間的漏電流和寄生電容的影響。隔離接線端由HI接線端電壓之后的單位增益緩沖器驅動。在使用隔離的典型測試系統(tǒng)中，Guard位于HI和LO接線端之間。通過這樣的連接， HI和Guard之間有壓降效為0 V，因此HI沒有任何電流泄露。Guard輸出和LO之間可能會有一些漏電流，但是，電流是由單位增益緩沖器提供，而不是HI，因此這并不影響SMU的輸出或測量。

舉個例子，NI PXIe-4138/4139的測量電路可以同時讀取輸出接線端（近端感應）或感應接線端（遙感）的電壓值和電流值。這些測量由始終保持同步的兩個集成ADC進行。

另外如圖10所示，NI PXIe-4138/4139的輸出接線器上具有Guard和Sense兩個接線端。您可以使用Guard接線端來實現(xiàn)電纜和測試夾具的隔離。如果啟用遙感時，可以使用Sense接線端，從而補償電纜和開關的電流-電阻損耗壓降。

圖 14.NI PXIe-4138/4139 的輸出接線器上具有Guard和Sense兩個接線端。

13. 下一步

模塊化SMU能夠執(zhí)行與傳統(tǒng)儀器相同甚至更好的測量，同時提供了一個平臺來支持具有測量和通道功能的現(xiàn)代技術，以滿足不斷變化的需求。然而，無論是購買傳統(tǒng)SMU還是模塊化SUM，上述討論的因素都非常重要。提前考慮應用需求、成本限制、性能和未來可擴展性可以幫助您選擇最能滿足您所有需求的儀器。