測試應用快速擴大陣列持續(xù)推動源測量單元儀器技術

自20年前推出SMU以來，源測量單元(SMUs)已演變成一個多用途的儀器類別，人們經常要求SMU解決電子行業(yè)應用的快速擴大陣列：

半導體設備制造，工藝開發(fā)和產品研發(fā)/設計

電子產品的生產驗證，如便攜式無線設備

器件所需新型先進材料的生產和開發(fā)，如太陽能電池和高亮度LED

幾乎所有電子設備的測試應用程序

在探討定義SMU技術因素之前，精確定義SMU是什么(不是什么)會很有幫助。本質上講，SMU是快速響應、能夠回讀電壓和電流的源，具有高精度測量的能力，緊密地集成在單封閉機箱內。它們設計用于線路和設備評估，必須在測試設備上(DUT)施加一個直流信號，并且需要對被測信號做出響應。SMU具有四象限運行(圖1)的能力，作為正負直流電源或吸收(負載)。它們還提供高度可重復的測量，通常具有5½-或6½-的數字分辨率。 SMU通常對用于確定被測設備I-V特性的電流和電壓進行掃描。由于這些優(yōu)勢，SMU已被廣泛地應用在工業(yè)領域，并且是許多自動化測試系統的通用部件。

圖1 四象限SMU設計

有些主張與此相反，認為傳統儀器在測試與測量行業(yè)仍然是一個重要的、逐漸增多的部件。雖然特定的通信接口(GPIB，RS - 232等)可能會隨著時間的推移而過時，但是在系統中單獨使用或與其它SMU集成使用的基于儀器的SMU，通常為寬范圍需求的應用提供最快、最準確、最靈活的解決方案。“部件”SMU往往犧牲他們的性能以提供一個特定的外形因子。

最寬的可用功率和信號范圍

針對多類型裝置的測試，期望測試設備具有工作在寬范圍信號等級的能力。例如，功率MOSFET導通時的電阻非常低，通過極大的電流，但是關斷時的電阻非常高，并允許流過幾乎為零的電流。MOSFET處于開通狀態(tài)時，電流高達幾十安培，關斷時電流可能小于納安培。功率二極管和高亮度發(fā)光二極管具有相似的動態(tài)范圍要求，其全部特性也相似。對于這類器件，當施加的正向偏置電壓低于閾值電壓時，流過器件的電流非常低。當電壓從0V至閾值電壓掃描時，器件的電流從亞納安范圍上升到毫安級。當偏置電壓達到并超過閾值電壓時，測試電流快速增加，達到幾十甚至幾百安培，這個電流值取決于設備。期望測試設備能在寬范圍內具有精確測量的能力，這樣可以減少所需測試設備的數量，從而降低系統的復雜性和成本。

圖2 吉時利SMU和競爭對手的動態(tài)范圍比較

吉時利數字源表®儀器結合了大部分單一儀器最寬范圍信號的最大能力。型號2651A高功率源表可提供高達200W的直流電源和2000W的脈沖功率。它可以測量高達50A的電流，具有最大分辨率為1pA的測量能力。型號2636A動態(tài)范圍上領先于行業(yè)，具有測量10A降至1fA信號的能力，提供160位電流分辨率。

一些基于SMU儀器的競爭對手宣稱，型號2636A雙通道系統源表儀器具有相同的動態(tài)覆蓋范圍，測量10A降至10fA的信號。然而，當比較每一個SMU(圖2)測量范圍時，很明顯型號2636A在電流幅值上比競爭產品低兩個數量級。這意味著型號2636A不是必須依賴其測量范圍的最低有效位和最低精度位來實現真正的寬動態(tài)范圍。對于儀器用戶，在低電流測量的準確度方面提供了更大的信心。

部件SMU的供應商也宣稱他們的寬范圍覆蓋性。然而，這些外形因子限制了他們的動態(tài)范圍，使其比基于SMU的Keithley儀器小幾十倍。在高端范圍，他們受限于設備能夠提供多大的功率，大多數部件SMU最大輸出100mA的電流。在低端范圍，對于各種實際的低壓測量，所有設計在較小空間、具有不充分屏蔽的線路的電磁干擾會產生過多的電噪聲。結果就是通?？床坏讲考MU的任何電流低于10微安。

最快的模數轉換器

測試設備制造商總是盡力推動從SMU每秒讀出更多的讀數。SMU的數字引擎得到升級，通信信道的帶寬增加，但最終提高速度最有效的方法就是降低測量本身的時間。由于卓越的抗噪能力，大多數SMU使用積分模數轉換器(ADC)來進行測量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結果。然而，從積分ADC得到的測量的質量直接與時間相關，因為它被迫運行的很快，因此測量的質量被降低。

通過將輸入信號的值轉換為輸入電壓電平給電容充電的時間和反極性參考電壓給電容放電的時間之間的關系，那么積分ADC能夠產生杰出的測量結果。對于一個標準雙斜率積分ADC，這種關系表示為Vin = VREF(td / tc)，其中Vin是被測信號，Vref是參考電壓，td是電容放電時間，tc是電容充電的時間。通過對電容充電一段時間，輸入信號的噪聲尖峰經過平均后輸出，因此在測量中最大程度地減少了噪聲，提高了精度。對充放電周期中固定速率時鐘的時鐘周期進行計數，以此來測量電容進行充放電的時間。假定tc和td為時鐘周期數，由這個方程可以看出，精度是由電容充電(tc)的時間所提供的。當允許流過更長時間時，tc計數變得更大，它提高了參考電壓(Vref)被拆分的步長數。簡單地說，tc計數變長，測量的分辨率將會增加。

從這個等式可以看到儀器制造商可控制的變量是充電時間(tc)。為了加快測量，有必要允許積分ADC具有更少的充電時間，但是這樣做會降低測量的分辨率。吉時利數字源表儀器使用積分ADC，但是為了應對速度提升帶來的分辨率的損失，他們引入了具有增強型多斜坡降低方法的積分ADC來替代更多的傳統的雙斜率方法。增強型多斜率下降積分ADC采用了多種創(chuàng)新技術以加快放電時間，允許在不降低充電時間的前提下提高速度，這樣就保證了最終的測量分辨率。這種類型的積分ADC如何工作已超出本文的范圍，但可在其它地方找到完整的描述。使用多斜率下降方法的創(chuàng)新技術允許吉時利使用積分型ADC的 SMU得到業(yè)界最快的高分辨率讀數。

吉時利2600A系列數字源表儀器使用增強型多斜率下降積分型ADC，具有每秒讀取20000個讀數的能力。然而，對于需要更快測量的應用，積分ADC損失了分辨率和精度，因此必須使用不同類型的ADC。