模块化源测量单元(SMU)的主要测量考量因素

针对设备选用具备适当IV范围的源测量单元(SMU)对于应用的成功至关重要。IV范围通常由图1所示的象限图来表示，用于表示SMU可流出或流入的电压和电流值。术语源极和漏极描述了流入和流出设备的功率。输出功率的设备将功率输出到负载中，而吸收功率的设备则类似负载，接纳功率并为电流提供返回路径。

图1.表示源极和漏极区域的象限图

在上面的象限图中，第一和第三象限表示源极功率，而第二和第四象限表示漏极功率。在第一和第三象限中输出功率的设备有时被称为双极型，因为​这些​设备​既能​产生​正​电压​和正​​电流，​也能​产生​负​电压​和​​负电流。术语“四象限SMU”通常用来描述可流出和流入电流的双极SMU。

例如，NI PXI-4132四象限SMU的最大电压输出为100 V，最大电流输出为100 mA，但它不能同时输出100 V的电压和100 mA的电流。在这种情况下，象限图提供了必要的详情，您可据此轻松确定SMU可流出或流入的最大电压和电流组合。但仅仅是简单地列出具有多个量程的SMU的最大电压和电流，并不能提供足够的详细信息来确定该仪器是否满足设备的IV要求。

图2.NI PXI-4132 IV范围

表1归纳了每种NI电源和SMU设备的每个通道输出与吸收功率的能力。

表1.NI仪器产品组合中每通道输出与吸收功率的能力

电源或SMU的测量分辨率是​指​电压​或​电流​测量​中​硬件​可以​检测​到​的​最小​变化。电源或SMU输出通道的输出分辨率是指输出电压或电流电平的最小可能变化。这些测量值通常以绝对单位表示，如nV或pA。分辨率通常受到用于测量的模数转换器(ADC)的限制，但高精确度SMU通常受限于噪声等其他因素。

灵敏度是指给定参数的最小单位，是仪器可在特定条件下能够​检测​到​且​有​意义的值​。该单位通常等于电源或SMU最小量程​内的测量分辨率。

一般情况下，应使用SMU的最小可能量程​来获得最佳精确度。该信息可通过仪器的产品规范获取。下表为范例：

表2.NI PXIe-4139电流编程和测量精度/分辨率

电源或SMU的测量或输出电平可能不同于实际值或请求值。精度表示给定测量或输出电平的不确定度，也可由与理想传递函数的偏差定义，如下所示：

y = mx + b

其中m是系统的理想增益

x是系统的输入

b是系统的偏移

y是系统的输出

此公式用于电源或SMU信号测量时，y是从设备获得的读数值，其中x作为输入，b是偏移误差，可在执行测量之前将其归零。如果m为1，b为0，则输出测量值等于输入值。如果m为1.0001，则测量结果与理想值的误差为0.01%。

对于大多数高分辨率、高精度电源和SMU，精度是指偏移误差和增益误差的和。将这两个误差相加，就可确定给定测量的总精度。NI电源和SMU通常以绝对单位（例如，mV或μA）来表示偏移误差，而增益误差则为读数值或请求值的百分比。

SMU的源和测量精度通常不高于其设定输出的0.1%。每​个​NI SMU​仪器​的​规范​手册​中​均有​提供​这些​信息。

表3.NI PXIe-4139的电压编程和测量精度/分辨率

测量采集窗口或孔径时间可直接影响测量速度和精确度。特定的SMU可改变仪器的孔径时间，让您可灵活地扩大采集窗口进行高​精确度测量，或缩小窗口进行高速采集。延长测量孔径时间可使仪器有更多的时间进行采样和计算平均值，从而降低测量噪声并提高分辨率。下图表示不同电流范围下测量​噪声​与​孔​径​时间​之间​的​函数​关系。

图3.测量​噪声​与​孔​径​时间​之间​的​函数​关系图

要实现高​精确度测量，所使用的孔径时间应即能为测量提供适当分辨率，也能最大程度缩短整体测试时间。相反，对于精确度较低的测量或对线路​或​负载​瞬​态​等​信号​进行​数字​化​时，应使用较短的孔径时间。例如，NI PXIe-4139的采样速率高达1.8 MS/s，让​您​能够详细​研究​SMU​输出​的​瞬​态​特性。根据电流范围，可在噪音为1nA到10mA的范围内达到此采样速率。

SMU的更新率决定了SMU输出电压或电流的变化速率。例如，更新率为100 kS/s的SMU，可每隔​10 us​为​下​一个​点​提供​电流。相对于传统SMU，更新率快的SMU可更快地执行冗长的IV扫描。此外，更新​率​快​的​SMU​还​可​为​正弦波​等​非​传统​序列​提供​电流。

图4.改变源延迟或电压阶跃开始和测量开始之间的时间差，可控制SMU的更新率

瞬态响应是指电源对于电压或电流突变的响应，这些电压或电流突变是由外部事件(如负载变化)或内部事件(如输出电压阶跃)引起的。

外部​负载​变化

外部​负载电流​变化会导致电压急剧变化，并暂时低于所需的电压输出。瞬态响应是指当负载电流发生特定变化(ΔI)时，电源电压恢复到特定电压(ΔV)所需的时间。快速瞬态响应对于移动设备供电至关重要。待​测​设备(DUT)消耗的负载电流发生巨大瞬时变化会导致输出电压骤降，随后​​电源​的​控制​电路​将​输出​电压​恢复​到​其​原始​值。对于典型的可编程电源，这通常需要数百微秒的时间。相反，NI PXIe-4154的20 µs瞬态响应(设置为“快速”模式时可用)，使仿真器在测试期间快速响应负载电流的变化。对于许多​采用​脉冲​式​通信​协议​的​无线​通信​设备​，如此​短​的​恢复​时间是其​最佳​选择。

图5.瞬​态​响应​的​典型​定义图

更改SMU输出

当改变SMU的输出时，仪器的瞬态设置定义了输出上升的时间和稳定到所需输出的时间。理想的瞬态响应具有快速上升时间，且无过冲或振荡。在各种负载下，需要在瞬态响应与电源稳定性之间进行权衡。若要获得最快瞬态响应，设备应具有高增益带宽积(GBW)，但GBW越高，设备在特定负载下变得不稳定的可能性就越大。因此，很多设备通常都会牺牲性能以实现稳定性。其他​设备​可在​很小​程度​上​实现​自​定义，​以​在​不同​情况​下​优​化​性能。​例如，许多传统的SMU提供一种“高电容”模式，用于将SMU与具有高达50 uF电容的设备一起使用的情况。

某些NI SMU采用了名为NI SourceAdapt的数字控制回路技术，使您能够自定义调整SMU的瞬态响应，以实现对任何给定负载的最佳响应。这为您提供了最短的稳定时间，从而缩短了等待时间和测试时间，同时消除​​过​压得以​保护​了DUT，​消除​​振荡从而​确保​了​系统​的​稳定​性。由于SMU响应的调整是通过编程完成的，您可轻松地将针对高速测试的SMU重新配置为针对高稳定性测试的单元－从而在最大程度上提高测试设备投资回报，并获得更好的测试结果。

图6.NI PXIe-4139具有可配置的瞬态响应设置，可灵活补偿输出控制回路的负载

通过访问NI在线目录并按SourceAdapt进行过滤，可查看支持SourceAdapt技术的NI PXI源测量单元。

SMU通常以两种输出模式之一运行：单点或序列。在单点模式下，SMU输出限制为一个值，但对于序列模式，SMU输出一系列值并测量每个点的IV数据。

单点源模式

单点模式传统上用于捕获单个值的IV数据，例如测试二极管的正向电压，或者用于使用SMU向DUT供电（例如以恒定电压为IC供电）。单点模式的用例包括开发软件定时顺序，您可在软件中循环一系列单点SMU输出。当SMU不支持在未提前规划的情况下更改特定功能时，可使用软件定时顺序代替硬件定时顺序模式。

序列模式

当SMU在序列模式下运行时，会输出一系列硬件定时值，从而提供更快、更具确定性的输出(以及与其他PXI仪器的同步)等​优势。这通常包括SMU提供直流电压或电流，然后测量电压和电流，接着移至序列中的下一个点。根据SMU功能的不同，您可改变序列中每一步的输出电平、电流或电压极值、孔径时间和瞬态响应等属性。对于存储大量​序列，​SMU​提供​了​两​种​方法：​专用​的​板​载​内存​和​支持​从​主机​到​SMU​低​延迟​数据​流​传输。例如，NI PXIe-4138和NI PXIe-4139通过高带宽、低延迟PCI Express连接将数据从主机PC传输到SMU，并可让您透明地输出具有数百万个设置点和属性的序列。

序列​模式​通常用于IV特性分析或老化测试等应用，对于需要与其他仪器紧密同步的应用(如测试RFIC)而言，序列​模式​是必不可少的。

大多数采用SMU的半导体测试应用都会涉及某种形式的输出和测量操作。在序列模式下使用时，这通常包括SMU提供直流电压或电流，然后测量电压和电流，接着移至序列中的下一个点。基本的DC扫描分析会以递增​方式​逐渐​增加​输出，直到完成序列，下图所示的是一个五步​电流值序列。

图7.基本DC扫描分析期间的五步序列示例

在某些应用(尤其是大功率应用)中，如果在不关闭SMU输出的情况下试图​扫描序列，可能会导致行为错误或使测试设置复杂化。SMU的脉冲输出是这些应用的首选，因为这种输出可让您在各种设定点进行输出和测量，同时将通过DUT的热量损失降至最低。脉冲扫描分析和DC扫描分析的相似之处在于都需要输出一个设定值，并等待该值稳定后再进行测量。两者的主要差异在于脉冲扫描的电源会在短暂的脉冲持续期后回归偏置电平。在大多数情况下，设置偏置电平是为了关闭DUT（例如，0V或0A）。

图8.脉冲输出允许源在移至下一个设定点之前恢复至偏置电平

在理想情况下，上述两个图形中的脉冲序列和DC序列都会返回相同的IV数据。然而，如前所述，DC序列会导致DUT耗散更多热量，功率损耗更大，进而电路行为异常或测试结果不如人意。因此脉冲测试更适合此类应用。在脉冲模式下测试时，脉冲宽度应足够长，以便设备达到全范围状态后进行稳定的测量，但同时应足够短，以便将DUT的自热效应降至最低。脉冲测试时，快速清晰的SMU响应格外重要，因为SMU的初始电平一般是脉冲偏置电平，而不是小幅逐步增加输出。

特定的SMU允许在传统DC功率范围之外生成脉冲，以满足需要更高电流的应用。例如，NI PXIe-4139可在50 V电压下生成高达10 A的脉冲，提供高达500 W的瞬时功率。脉冲宽度取决于负载和SourceAdapt控制设置，最短可至50 μs。这些短脉冲宽度不仅可缩短测试执行时间，还可将通过DUT的热量耗散降至最低，便于测试工程师执行测试，而无需散热器或其他热控制机制。

图9.NI PXIE-4139 IV范围

• 了解更多有关NI PXIe-4139脉冲生成功能的信息

模块化SMU的主要优点之一是尺寸紧凑。传统的SMU配备有专用的显示器、处理器、电源、风扇、旋钮和其他冗余组件，使构建高通道数系统的过程复杂化。由于模块化SMU使用机箱和控制器中的共享组件，在去除这些冗余组件后，其占用空间远小于传统仪器。这使您能够减少测试系统的尺寸和功耗。 

应用所需的通道数可随时间变化和演变。传统箱​式SMU的一个或两个通道已经无法满足如今许多应用的需求。半导体行业中的并行IV测试系统尤其如此，该​测试​需要在紧凑的空间中使用大量SMU通道。使用NI模块化SMU，您可在单个PXI机箱中将多台仪器组合在一起，从而在19英寸4U机架空间中创建多达68个SMU通道的高通道数解决方案，而传统SMU只能提供4到8个通道。PXI平台的紧凑尺寸和模块化还使您能够将SMU与其他基于PXI的仪器(如示波器、开关和RF仪器)相结合，以创建高性能混合信号测试系统。 

图10.使用高密度NI SMU在单个4U机架中创建具有多达68个SMU通道的系统

触发是设备开始操作的信号。事件是指来自设备的信号，指示操作已完成或已达到特定状态。您可使用触发和事件来同步单个NI电源或SMU内的操作以及与其他PXI/PXI Express设备的操作。许多应用涉及多种类型的仪器，如数字化仪、信号发生器、数字波形分析仪、数字波形发生器和开关。对于这些应用，PXI和NI模块化仪器固有的定时和同步功能可在无需任何外接线缆的情况下同步所有这些仪器。

使用此触发功能，从以下触发类型中选择：

• 开始:在接收到该触发之前，源单元和测量单元不执行任何操作。
• 源：设备​接收​到​该​触发​后，​源​单元​开始​修改​源​配置。
• 测量：测量单元在收到此触发时开始进行测量。当测量单元进行测量时，该触发被忽略。
• 序列前进：完成​一次​序列​迭代​后，​源​单元​接收​到​该​触发​后​才​开始​下​一次​迭代。
• 脉冲：源​单元​接收​到​该​触发​后，​开始​从“脉冲​偏移”转换​至“脉冲​电​平”。

NI PXIe-4138/4139模块是PXI平台针对触发进行优化的一个示例。这些模块使用PXI机箱背板发送和接收触发和事件，从而简化编程和系统布线。这些模块也可以实现硬件定时，并具有高速序列引擎以同步多个SMU之间的握手协议。

图11.触发和同步的序列引擎图

NI PXIe-4138和NI PXIe-4139模块还利用了PXI的高带宽和低延迟功能，并支持主机PC和SMU之间的直接DMA​数据​流​传输。这使您能够以仪器的最高更新率(100 kS/s)和采样速率(1.8 MS/s)透明地传输大量​波形和测量数据，消除了与传统仪器总线相关的带宽和延迟瓶颈。

在为您的应用选择模块化SMU时，确定软件和分析功能非常重要，此因素可能会帮助您在两种仪器之间进行选择。

独立式​SMU通常使用具有供应商定义功能的基本寄存器级命令，而模块化SMU是用户可定义的，可​灵活​地​解决​应用​的​需求。箱​式​SMU提供​了​许多​标准​功能，​能够​满足​许多​工程​师​的​常见​需求。不难想象，这些标准功能并不能解决每个应用需求，尤其是自动化测试应用。如果您需要定义示波器进行的测量，可选择模块化SMU而非具有​固定​功能​的​独立​式​SMU，模块化SMU利用PC架构的优势，让您能够根据需求​对​应用​进行​自​定义。

NI SMU使用免费的NI-DCPpower驱动程序软件进行完全编程。NI-DCPPower是一种兼容IVI仪器驱动程序，随​附​于​NI电源或SMU，可与所有NI可编程电源和SMU进行通信。NI-DCPower提供一系列操作和属性，可执行电源或SMU的功能，并包含一个交互式软前面板。

图12.使用软前面板结合模块化SMU快速进行测量

除了软前面板之外，您​还​可​使用​NI LabVIEW、​NI LabWindows™/CVI、​Visual Basic​和.NET​在​NI-​DCPower​驱动​软件​中​编​程​模​块​化​SMU，​以​实现​针对​各种​应用​的​常见​和​自​定义​测量。该驱动程序还支持在LabVIEW中基于配置的快速功能。

图13.在LabVIEW软件中编程模块化SMU

使用远端感应进行的测量，有时也称为4线感应，需要4条线连接到DUT（如果使用开关系统扩展通道数，则需要4线开关）。当输出引线​电压​显著​降低​时，使用远端感应可实现更精确的电压输出和测量。在DC电流输出功能中使用远端感应时，电压限制值在感应引线末端测量，而不是在输出接线端测量。相对于近端感应，使用远端感应会获得更准确的DUT接线端电压。理想情况下，感应引线应尽可能靠近DUT接线端。

另一个需要考虑的方面是防护​。防护技术用于消除HI和LO之间的泄漏电流和寄生电容的影响。防护​接​线​端​由​HI​接​线​端​电压​之后​的​单位​增益​缓冲​器​驱动。在使用防护装置的典型测试系统中，Guard在HI和LO接线端之间。通过这种连接，HI和Guard之间的有效电压降为0 V，因此不会有泄漏电流从HI流出。一些泄漏电流可能仍会从Guard​输出流向LO，但由于电流由单位增益缓冲器提供而非HI，因此不会影响SMU的输出或测量。

例如，NI PXIe-4138/4139上的测量电路可同时读取输出接​线​端​(近端感应)或感应​接​线​端​(远端感应)的电压值和电流值。这些测量由两个始终同步的集成ADC执行。

此外，如图10所示，NI PXIe-4138/4139在输出连接器上具有Guard​和​Sense​两​个​接​线​端。您​可以​使用​Guard​接​线​端​来​实现​电缆​和​测试​夹​具​的​防护技术。启用远端感应时，您可使用Sense​接​线​端来补偿电缆和开关中的电流电阻压降损耗。

图14.NI PXIe-4138/4139在输出连接器上具有Guard和Sense两​个​接​线​端

与传统仪器相比，模块化SMU可执行相同甚至更好的测量，同时提供一个平台来支持具有测量和通道功能的现代技术，以满足不断变化的需求。然而，无论​是​购买​传统​SMU​还是​模​块​化​SUM，​上述​讨论​的​因素​都​非常​重要。提前考虑应用需求、成本限制、性能和未来的可扩展性可帮助您选择最能满足您所有需求的仪器。

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