选择模块化源测量单元需要考虑哪些注意事项和

1. IV范围

针对设备选器具有适当电压电流范围的源丈量单元(SMU)对付利用的成功至关紧张。IV范围平日由图1中象限图来表示,它指的是SMU可以拉或灌的电压和电流值。拉和灌这两个词描述的是设备的功率流入和流出。拉电流的设备可为负载供给电流,而灌电流的设备就像一个负载,被动接受流入的电流,且可为电流供给返回路径。

图 1. 四个象限区域表示设备拉灌的电流或电压值

在上面的象限图中,I和III象限代表设备处于拉电流状态,而象限II和IV代表设备处于灌电流状态。在象限I和III内均能够拉电流的设备无意偶尔也称其具有两极性,由于这些设备能够既能孕育发生正电压和电流,也能孕育发生负电压和电流。“四象限SMU”这个词平日用语描述可拉灌电流的双极SMU。

例如,NI PXI-4132 四象限SMU的最大年夜电压输出是100 V,最大年夜电流输出是100 mA;然则,它不能同时输出100 V的电压和100 mA的电流。在这种环境下,象限图就供给了所需的信息,赞助您轻松地确定SMU可以供给或注意灌输的最大年夜电压和电流组合。仅仅是简单地列出具有多个量程的SMU的最大年夜电压和电流并无法为您供给足够的信息来确定该仪器是否相符设备的IV要求。

图 2. NI PXI-4132 IV 范围

表1 归纳了每种NI电源和SMU设备每个通道的输入输出能力。

DeviceChannel(s)Quadrant

IIIIIIIV

NI PXI-411006 W———

120 W———

2——20 W—

NI PXIe-41120 and 160 W———

NI PXIe-41130 and 160 W———

NI PXI-413006 W———

140 W10 W140 W10 W1

NI PXI-413202 W2 W2 W2 W

NI PXI-4138/4139020 W12 W120 W12 W1

NI PXIe-4140/41410 through 31 W1 W1 W1 W

NI PXIe-4142/41430 through 33.6 W3.6 W13.6 W3.6 W1

NI PXIe-4144/41450 through 33 W3 W13 W3 W1

NI PXIe-4154018 W1——18 W

112 W1——0.8 W1

1查看设备的规格参数,懂得具体IV范围。

表1. NI仪器产品每个通道的输入输出能力

2. 正确度

电源或SMU的丈量分辨率是指电压或电流丈量中硬件可以检测到的最小变更。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更。这些丈量平日以绝对单位表示,比如nV 或pA。分辨率平日是由丈量所应用的模数转换器ADC)抉择,但高精度SMU平日受限于噪声等其他身分。

灵敏度是指仪器在规定的前提下能够检测到且故意义的给定参数的最小单位。这个单位平日即是电源或SMU最小量程内的丈量分辨率。

一样平常环境下,应该应用SMU的最小量程才能得到最佳精度。该信息可在仪器的规范手册中找到。以下是一个例子:

表 2. NI PXIe-4139 电流编程和丈量正确度/分辨率

3. 源丈量准确度

电源或SMU的丈量或输出电平与实际或要求的值可能会有所不合。准确度表示的是必然丈量或输出电平下的不确定度,也可以指与抱负通报函数的误差,如下所示:

y = mx + b

此中 m 是指系统的抱负增益

x 是指系统的输入

b 是指系统的偏置

y 是系统的输出

该公式用于电源或SMU旌旗灯号丈量时,y 是指设备的输出读数值,此中 x 作为输入, b 为偏置偏差,可在丈量之前将其归零。假如 m 为 1, b为0, 则输出丈量值即是输入值。假如 m 为 1.0001,则丈量结果与抱负值的误差是0.01%。

对付大年夜多半高分辨率、高准确度电源与SMU,准确度是指偏置偏差和增益偏差的组合。这两种偏差相加可用于确定特定丈量的总体准确度。 NI电源与SMU平日以绝对单位(例如mV或μA)来表示偏置偏差,而增益偏差平日是读数或哀求值的百分比。

SMU的范例源丈量准确度即是或低于所设定输出的0.1%。每个NI SMU仪器的规范手册中均有供给这些信息。

表 3. NI PXIe-4139 的电压编程和丈量准确度/分辨率

4. 丈量速率

丈量采集窗口或孔径光阴会直接影响丈量速率和正确度。某些SMU可改动仪器的孔径光阴,使您能够机动地扩展高正确度丈量的采集窗口,或者减小高速采集的窗口。扩展丈量孔径可让仪器有更多的光阴进行采样和匀称,从而低落丈量噪声和前进分辨率。下图显示了在不合的电流范围下丈量噪声与孔径光阴之间的函数关系。

图 3. 丈量噪声与孔径光阴的函数关系图

为了实现高正确度丈量,应用的孔径光阴必须既能够供给适当分辨率,同时仍可最大年夜限度地削减整体测试光阴。相反,对付正确度较低的丈量或者对线路或负载瞬态等旌旗灯号进行数字化时,应该应用较小的孔径光阴。例如, NI PXIe-4139 能够以高达1.8 MS / s的速度采样,可赞助您具体钻研SMU输出的瞬态特点。取决于电流范围,当噪声为1 nA – 10mA时丈量速率可达到1.8 MS / s。

5. 源更新率

SMU的更新速抉择了SMU输出电压或的电流的变更速度。例如,更新率为100 kS / s的SMU能够每隔10 us为下一个点供给电流。更新速度快的SMU能够以比传统SMU快得多的速率履行冗长的IV扫描。此外,更新速度快的SMU还可为正弦波等非传统序列供给电流。

图 4. 经由过程改变源延迟或者电压阶跃开始和丈量开始之间的光阴差来节制SMU的更新率。

6. 瞬态相应

瞬态相应是指电源对付电压或电流突变的相应,电压或电流突变平日是因为负载变更等外部事故或者输出电压阶跃等内部事故引起的。

外部负载变更

外部负载电流的变更会引起电压急剧变更,使电压短暂地低于预期电压输出。瞬态相应是指负载电流发生变更(ΔI)时电源电压规复到必然电压值(ΔV)所需的光阴。快速瞬态相应对付移动设备的供电至关紧张。待测设备(DUT)耗损的负载电流假如发生较大年夜的瞬时变更,会导致输出电压骤降,随后经由过程电源的节制电路将输出电压规复到其原始值。对付范例的可编程电源,这每每必要数百微秒的光阴。而NI PXIe-4154的20µs瞬态相应(设置为“快速”模式时)能够使模拟电路在测试历程中迅速相应负载电流的变更。如斯短的规复光阴成为许多采纳脉冲式通信协议的无线通信设备的最佳选择。

图 5. 瞬态相应的范例定义图

改变SMU输出

当SMU输出改变时,该仪器的瞬态设置定义了输出的上升光阴以及达到预期输出并处于稳定状态所需的光阴。抱负的瞬态相应具有快速上升光阴,且没有任何过冲或振荡。在许多负载下,必要在瞬态相应和电源稳定性之间进行权衡。假如要得到最快瞬态相应,设备应具有高增益带宽积(GBW),但增益带宽积越高,设备在特定负载下变不稳定的可能性越高。是以,大年夜多半设备在许多环境下以就义机能为价值来得到稳定性。其他设备可在很小程度上实现自定义,以在不合环境下优化机能。例如,许多传统SMU具有“高容量”模式,专用于与具有高达50 uF电容的设备一路应用的环境。

某些NI SMU采纳了称为NI SourceAdapt的数字节制回路技巧,该技巧使您能够自定义调剂SMU的瞬态相应,从而得到针对任何给定负载的最佳相应。这供给了最佳源丈量单元相应,同时也可实现最短的稳准光阴,从而缩短了等待光阴和测试光阴。此外,该技巧不仅打消了过压,保护了待测设备(DUT),而且也打消了振荡,确保了系统的稳定性。因为源丈量单元相应的调剂是经由过程编程软件来完成的,您可以轻松地将针对高速测试的源丈量单元从新设置设置设备摆设摆设为针对高稳定性测试的单元—这样可以最大年夜化您的测试设备投资回报,以及得到更好的测试结果。

图 6. The NI PXIe-4139 具有可设置设置设备摆设摆设的瞬态相应设置,以机动地对输出节制回路进行负载补偿。

以下表格列出了采纳NI SourceAdapt技巧的NI SMU型号:

产品名称e类型采纳SourceAdapt

NI PXI-4130大年夜功率 SMU无

NI PXI-4132高精度 SMU无

NI PXIe-4138/9高精度系统 SMU仅 NI PXIe-4139

NI PXIe-4140/14通道 SMU仅 NI PXIe-4141

NI PXIe-4142/34通道 SMU仅 NI PXIe-4143

NI PXIe-4144/54通道 SMU仅 NI PXIe-4145

表 4. 快速查看采纳NI SourceAdapt技巧的NI产品。

7. 序列或扫频

SMU平日有两种输出模式:单点或序列。在单点模式下,SMU仅输出一个值,而在序列模式下,SMU输出一系列值,并丈量每个点的IV数据。

单点源模式

单点模式平日是用于捕获某个值的IV数据,比如测试二极管的正向电压,或者应用SMU为待测设备供电(如以恒定电压为集成电路供电)。单点模式的用例包括开拓软件准时的序列,在软件中轮回运行一系列单点SMU输出。当SMU在没有事先计划的环境下不支持变动特定功能时,软件准时的序列可以用于代替硬件准时的序列。

序列模式

SMU在序列模式下运行时可输出一系列硬件准时的值,供给了更快速且更确定的输出(以及与其他PXI仪器同步)等上风。这一历程包括SMU供给直流电压或电流,然后丈量电压和电流,接着再轮回至序列中下一个点。取决于SMU功能,您可以变动序列中每一步的输出电平、电流或电压范围、孔径光阴以及瞬态相应。对付存储大年夜量序列,SMU供给了两种措施:专用的板载内存和支持从主机到SMU低延迟数据传布输。例如,NI PXIe-4138和NI PXIe-4139PC经由过程一个高带宽低延迟PCI Express连接将数据从主机传输到SMU,并可让您透明地输出具稀有百万个设定值和属性的序列。

序列模式平日用于IV特点记述或老化测试,而且对付那些必要与其他仪器慎密同步的利用(如测试射频集成电路)平日是必弗成少的。

8. 脉冲天生

大年夜多半应用SMU的半导体测试利用均涉及某种形式的源丈量操作。在序列模式下,该历程平日包括SMU供给直流电压或电流,然后丈量电压和电流,接着再轮回至序列中下一个点。基础的直流扫描会以递增要领徐徐增添输出,直至完成序列的每个点,如下图所示,该图显示了一个五步电流值序列。

图 7. 基础直流扫描时的五步序列示例

某些利用中,分外是高功率利用中,假如没有关闭SMU输出就试图扫描序列,可能会导致不精确的行径或繁杂的测试设置。对付这些利用,SMU的脉冲输出是首选,由于该输出可让您在不合的设定点进行源丈量,同时最大年夜限度地削减经由过程DUT的散热丧掉。脉冲扫频与直流扫描的相似之处在于两者均包孕输出设定值、等待输出稳定然落后行丈量等历程。脉冲测试的不合之处在于,源在颠末很短的脉冲持续光阴后规复到偏置电平。在大年夜多半环境下,设定偏置电平的目的是为了关闭DUT(例如0V或0A)。

图 8. 脉冲输出可让源在转到下一个设定值之前规复至偏置电平。

在抱负前提下,前面两个图中的脉冲序列和直流序列应该返回至相同的IV数据。然而,如前面提到的,直流序列经由过程DUT耗损的热量更多,这会导致不正常的行径和较不抱负的测试结果。这也是这些类型的利用优先选择脉冲测试的缘故原由。在脉冲模式下进行测试时,脉冲宽度应该足够长,使得设备能够达到全导通状态以进行稳定的丈量,同时脉冲宽度又必须足够短,以最小化待测设备的自热效应。在天生脉冲时,快速干净的SMU相应显得尤为紧张,这是由于SMU老是从脉冲偏置电平开始,而不因此小幅增量徐徐增大年夜输出。

特定的SMU可让您天生越过传统直流电源范围的脉冲,以满意必要更高电流的利用。例如,NI PXIe-4139可在50 V电压下天生高达10 A的脉冲,供给高达500 W的瞬时功率。取决于负载和SourceAdapt节制设置,脉冲宽度可以短至50微秒。短脉冲宽度不仅缩短了测试履行光阴,而且还可最大年夜程度低落待测设备的散热,便于测试工程师进行测试,否则可能必要增添散热器或其它热节制机制。

图 9. NI PXIe-4139 IV 范围

9. 通道密度

模块化SMU的一个主要优点是紧凑的尺寸。传统SMU配有专门的显示器、处置惩罚器、电源、风扇、旋钮以及其它冗余组件,使得构建高通道数系统的历程繁杂化。因为模块化SMU与机箱和节制器共享组件,从而削减了冗余组件,占用空间比传统仪器要小得多,终极减小了测试系统的体积和功耗。

利用所需的通道数会跟着光阴而变更。传统箱式SMU的一两个通道已经无法满意许多利用的必要。半导体行业的并行IV测试系统更是如斯,该测试必要在紧凑的空间中应用大年夜量的SMU通道。借助NI模块化SMU,您可以将多台仪器组合在单个PXI机箱中,在19寸4U的机架空间内创建多达68个SMU通道的高通道数办理规划,传统SMU仅可供给四到八个通道。 PXI平台的紧凑尺寸和模块化特点还使您能够将SMU与其他基于PXI的仪器(如示波器开关和射频仪器)相结合,以建立高机能混杂旌旗灯号测试系统。

图 10.应用高密度NI SMU在单个4U机架内构建高达68个SMU通道的系统。

10. 准时和同步

触发是启动设备操作的一种旌旗灯号。事故是指设备发出的旌旗灯号,用于唆使某个操作已完成或某个状态已达到。您可应用触发和事故同步单个NI电源或SMU中的多个操作或者同步与其他PXI/ PXI Express设备的操作。许多利用涉及多种仪器,如示波器、旌旗灯号发生器、数字波形阐发仪、数字波形发生器和开关。对付这些利用,PXI和NI模块化仪器的固有准时和同步功能使您无需应用外部电缆即可同步所有这些仪器。

应用该触发功能时,您可从以下触发类型中进行选择:

开始:源单元丈量单元接管到该触发后,开始履行操作。

源:设备接管到该触发后,源单元开始改动源设置设置设备摆设摆设。

丈量:丈量单元接管到该触发开始进行丈量。而丈量单元进行丈量时,该触发被轻忽。

序列提高:完成一序次列迭代后,源单元等待接管到该触发后才开始下一次迭代。

脉冲:源单元等待接管到该触发后,开始从“脉冲偏置”转换至“脉冲电平”。

PXI平台针对触发进行优化的一个例子是NI PXIe-4138/4139模块。模块经由过程PXI机箱背板来发送和接管触发和事故,从而简化了编程和系统布线。这些模块还可以实现硬件准时,同时具有高速序列引擎来同步多个SMU之间的握手。

图 11. 用于触发和准时的序列引擎图

NI PXIe-4138与NI PXIe-4139模块还使用了PXI的高带宽和低延迟上风,而且支持主机和SMU之间的直接DMA数据传布输。这使您能够以仪器的最高更新率(100 KS/s)和采样率(1.8 MS/s)透明地传输大年夜量的波形和丈量数据,从而打消了传统仪器总线的带宽和延迟瓶颈。

11. 软件、阐发功能和自定义化

为利用选择模块化SMU时确定软件和阐发功能是异常紧张的,由于该身分可以赞助您在两台仪器之间做出选择。

自力式SMU平日采纳基础的寄存器级敕令以及供应商定义的功能,而模块化SMU是用户可定义的,可机动地办理利用的需求。箱式SMU供给了许多标准功能,能够满意许多工程师的常见需求。不难想象,这些标准功能并不能办理所有的利用需求,分外是对付自动化测试利用。假如您必要定义示波器要进行的丈量,则应选择模块化SMU,而不是具有固定功能的自力式SMU,模块化SMU可使用PC架构的上风,同时也让您根据需求对利用进行自定义。

NI SMU可应用免费的NI-DCPower驱动软件来完全编程。NI-DCPower是一个兼容IVI的仪器驱动法度榜样,随附于NI电源或SMU中,并可与所有的NI可编程电源和SMU通信。NI-DCPower具有一系列操作和属性,用于启动电源或SMU的功能,且该软件包孕了一个交互式软面板。

图 12. 结合模块化SMU应用软面板快速进行丈量

除了软面板,您还可应用NI LabVIEW、NI LabWindows™/ CVI、Visual Basic和.NET在NI-DCPower驱动软件中编程模块化SMU,以实现针对各类利用的常见和自定义丈量。该驱动法度榜样还可支持LabVIEW内基于设置设置设备摆设摆设的快速vi。

图 13. 应用LabVIEW软件编程模块化SMU

12. 针对高正确度丈量的连接功能

应用遥感进行的丈量无意偶尔也称为四线感应,必要四条线连接到待测设备(假如开关系统用于扩展通道数的化,还必要四线开关)。当输出引线电压显明低落时,应用遥感能够实现更正确的电压输出和丈量。当遥感用于直流电流输出功能时,电压限定值是在感应引线端进行丈量,而不是在输出接线端。应用遥感丈量DUT接线真个电压比近端感应丈量更准确。抱负环境下,感测导线应尽可能接近DUT接线端。

另一个要斟酌的方面的是隔离(guarding)。隔离是为了打消高输入(HI)和低输出(LO)之间的泄电流和寄生电容的影响。隔离接线端由HI接线端电压之后的单位增益缓冲器驱动。在应用隔离的范例测试系统中,Guard位于HI和LO接线端之间。经由过程这样的连接, HI和Guard之间有压降效为0 V,是以HI没有任何电流泄露。Guard输出和LO之间可能会有一些泄电流,然则,电流是由单位增益缓冲器供给,而不是HI,是以这并不影响SMU的输出或丈量。

举个例子,NI PXIe-4138/4139的丈量电路可以同时读取输出接线端(近端感应)或感应接线端(遥感)的电压值和电流值。这些丈量由始终维持同步的两个集成ADC进行。

别的如图10所示,NI PXIe-4138/4139的输出接线器上具有Guard和Sense两个接线端。您可以应用Guard接线端来实现电缆和测试夹具的隔离。假如启用遥感时,可以应用Sense接线端,从而补偿电缆和开关的电流-电阻损耗压降。

图 14. NI PXIe-4138/4139 的输出接线器上具有Guard和Sense两个接线端。

13. 下一步

模块化SMU能够履行与传统仪器相同以致更好的丈量,同时供给了一个平台来支持具有丈量和通道功能的今世技巧,以满意赓续变更的需求。然而,无论是购买传统SMU照样模块化SUM,上述评论争论的身分都异常紧张。提前斟酌利用需求、资源限定、机能和未来可扩展性可以赞助您选择最能满意您所有需求的仪器。

责任编辑:gt

您可能还会对下面的文章感兴趣: