什么是源測(cè)量單元(SMU)？

概覽

事實(shí)上，所有的研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用都需要一個(gè)能為正在開(kāi)發(fā)或測(cè)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(tái)設(shè)備所消耗的電壓和電流，來(lái)描述設(shè)備的性能或測(cè)試設(shè)備是否正常工作。通常，你可以采用一個(gè)可編程電源來(lái)滿足這兩個(gè)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(duì)于電流的測(cè)量而言，毫安級(jí)的靈敏度通常就足夠了。

有些應(yīng)用對(duì)供給電源和測(cè)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(jí)電流靈敏度的范圍。譬如，對(duì)于我們身邊隨處可見(jiàn)的電子設(shè)備而言，輸入的每一毫安電流都會(huì)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(guò)程中了解它們的特性。于是，具備微安級(jí)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?xí)蟾叩木群透嗟奶匦?。例如半?dǎo)體檢驗(yàn)和表征的應(yīng)用中，就需要納安級(jí)的電流靈敏度。另外，對(duì)更高的靈敏度、更快速度、遠(yuǎn)端電壓檢測(cè)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(cè)量功能的應(yīng)用中，源測(cè)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(cè)量分辨率小于1mV的電壓源，還可以提供測(cè)量分辨率低于1uA的電流源。SMU還提供了遠(yuǎn)端檢測(cè)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(dòng)化測(cè)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(qǐng)閱讀下面對(duì)應(yīng)的段落。

目錄

精度

遠(yuǎn)端電壓檢測(cè)

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(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(shí)，請(qǐng)記住兩個(gè)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(cè)到的最小的可測(cè)量(或可提供)的變化值。也就是說(shuō)，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(cè)到的最小增量。SMU 提供了多個(gè)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(gè)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(cè)量值的最大不確定性。絕對(duì)精確度是以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的有效讀取值作為參考而獲得的。通常，對(duì)電源供給和測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(cè)

在精確的供給或測(cè)量電壓的應(yīng)用中，一個(gè)最重要的問(wèn)題就是，待測(cè)設(shè)備(DUT)中導(dǎo)線阻抗對(duì)測(cè)量到的電壓值的影響。導(dǎo)線阻抗是無(wú)法消除的，在涉及到長(zhǎng)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(huì)超過(guò)幾歐姆，但是這些小阻抗卻可能對(duì)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(shí)候，這種現(xiàn)象尤為明顯。

圖1顯示了一個(gè)普通電路，包含一個(gè)電壓源儀器、導(dǎo)線和一個(gè)DUT。在這個(gè)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 Ω。

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 Ω。按照下列公式，可以計(jì)算出DUT終端的實(shí)際電壓：

在這種情況下，電壓實(shí)際只有4.99V。對(duì)某些器件而言，這種小的變化是微不足道的；然而，對(duì)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(duì)那些低輸入阻抗的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這將極大地降低導(dǎo)線端待測(cè)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(shí)，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(guò)遠(yuǎn)端檢測(cè)來(lái)解決，也就是4-線檢測(cè)。這種技術(shù)直接測(cè)量DUT兩端電壓，并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)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(wàn)用表(DMM)采用的4-線阻抗測(cè)量方法，以消除阻抗測(cè)量中導(dǎo)線阻抗帶來(lái)的影響。電源和DMM在輸出端都有兩個(gè)額外的接線端，用于這種4-線遠(yuǎn)端檢測(cè)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(cè)的導(dǎo)線中仍然存在導(dǎo)線阻抗，但是電壓測(cè)量是處于高阻狀態(tài)的，所以沒(méi)有電流會(huì)從檢測(cè)導(dǎo)線中流過(guò)，因此也將不存在電壓降。

SMU通常具備了遠(yuǎn)端檢測(cè)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(cè)能力（也稱為”開(kāi)爾文檢測(cè)”），并可以在軟件中設(shè)置其開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

4-象限操作（供能和吸能）

SMU的另外一個(gè)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(cè)中會(huì)包含一幅與圖2類似的象限圖，顯示了在每個(gè)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(shí)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?yàn)镾MU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(duì)那些同時(shí)需要電源供給和吸收的應(yīng)用（例如測(cè)試充電電池的充電周期，或者測(cè)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

雙極

對(duì)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(fù)電壓的能力。這對(duì)描述同時(shí)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(gè)輸出通道來(lái)提供從負(fù)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(lì)，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(gè)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(lái)對(duì)電容或電池進(jìn)行放電。譬如，PXI-4130提供了高達(dá)10W的功率吸收能力。

掃描

SMU的主要應(yīng)用是對(duì)各種電子器件、半導(dǎo)體設(shè)備和用戶芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行表征和分類。通?？梢圆捎脤⒁幌盗须妷夯螂娏髦狄話呙璺绞教峁┙oDUT來(lái)實(shí)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(gè)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(cè)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(duì)數(shù)方式，也可以是自定義方式，直流方式或者脈沖方式。當(dāng)SMU測(cè)量得到的電壓和電流時(shí)，以3000S/秒的速度掃描電壓和電流。此外，PXI-4130還提供了一個(gè)額外可編程電源作為實(shí)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(chǎng)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(cè)量靈敏度方面的對(duì)比。

圖5. NI公司PXI高精度電源的價(jià)格和精度的比較