電源測(cè)量單元(SMU)

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。

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 ?。

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。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”開爾文檢測(cè)”），并可以在軟件中設(shè)置其開關(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