What’s inside? 拆解安捷倫電源/測量單元 (SMU)

　　Dave Jones(瘋狂的澳洲人)經(jīng)營著EEVblog.com網(wǎng)站，在5年時間里，上傳了超過600個電子類的視頻。在每周二，Jones會拆解一個不錯的設(shè)備(當(dāng)然，有時候沒有那么好)，Jones并不是簡單地把盒子破壞、打開，他會用他豐富的電子設(shè)計知識來說明這個設(shè)備是怎么設(shè)計的，為什么要這么設(shè)計。

　　這一周，Jones拆解了一臺安捷倫Agilent B2912A 精密型電源/測量單元(SMU)，它具備以下性能特性：10 fA/100 nV 最小電源分辨率(6? 位)，高分辨率的任意波形生成 (10μs最小間隔)，高速數(shù)字轉(zhuǎn)換能力 ( 采樣率最高為 100000點/秒 )，這些精密儀器通常被用來測量半導(dǎo)體器件，并產(chǎn)生我們在數(shù)據(jù)手冊上看到的電壓-電流曲線。

　　(注：Jones把SMU稱作“Shmoo”是比較有意思的，因為早在上世紀(jì)70年代，Shmoo圖就被用來表征半導(dǎo)體器件，這一時間要比SMU的出現(xiàn)早很多，同樣也要比安捷倫早很多。Shmoo是Al Capp在Li’l Abner 連環(huán)漫畫中創(chuàng)造的虛構(gòu)人物，而shmoo圖很像shmoo這個卡通人物，因此采用了相同的名稱。要了解更多信息，可以參見Keith Baker 和 Jos Van Beers的文章 “shmoo圖：IC測試的藝術(shù)”)

　　在長達(dá)數(shù)小時的拆解視頻中，Jones發(fā)現(xiàn)了至少5顆Xilinx器件：3顆Spartan FPGA以及2顆9572XL CPLD(是的，Xilinx還在生產(chǎn)這些CPLD)。安捷倫SMU的處理器板使用了1個STMicro SPEAR eMPU(ARM Cortex-A9)和1個Xilinx Spartan-3E XC3S1200E FPGA器件，從板子的布線可以看到，Xilinx FPGA為SPEAR處理器芯片提供了外部I/O的擴(kuò)展，因為FPGA處于微處理器和處理器板的邊緣連接器之間：

　　安捷倫B2912A SMU處理器板。圖片來源：Dave Jones，EEVblog.com

　　Jones在視頻中指出，安捷倫為了后續(xù)處理器板的升級需要，而把處理器電路從模擬板中分離出來，這樣可以只升級處理器板上的快速演進(jìn)的數(shù)字部件，而不需要改變模擬板的設(shè)計?！八麄?安捷倫)想制造一個適應(yīng)未來15年發(fā)展的儀器，在這15年里，模擬部分的設(shè)計不會過時，但是數(shù)字控制器可能需要進(jìn)行升級”

　　Jones是對的。如果把處理器板放在現(xiàn)在來設(shè)計，為了對性能進(jìn)行升級以及簡化設(shè)計，安捷倫很可能會采用Zynq完全可編程的SoC器件來替代上面STMicro SPEAR處理器芯片，因為Zynq SoC器件內(nèi)置了一個雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器以及可編程邏輯。

　　安捷倫SMU中有兩塊精密的電壓/電流 電源板，每塊板都有2顆Xilinx可編程器件：一顆是Spartan-6 XC6SLX45 FPGA，另一顆是XC9572XL CPLD。為什么需要兩顆可編程邏輯器件呢?Jones注意到了一個細(xì)節(jié)，他發(fā)現(xiàn)板上使用了一個TI ISO7240M雙通道數(shù)字隔離器來把兩顆可編程器件分開。Spartan-6 FPGA實現(xiàn)了任意波形發(fā)生器的功能。該FPGA要驅(qū)動一個TxDAC的模擬器件，TxDAC接著要驅(qū)動板子的power FETs，power FETs水平分布在板子的中央位置，上面覆蓋著大塊的鋁散熱片。Jones認(rèn)為，CPLD的用途是把儀器處理器板的執(zhí)行命令傳遞給被隔離的Spartan-6 FPGA。

　　下圖是Jones拍攝的安捷倫SMU模擬板的照片，Spartan-6 FPGA位于右側(cè)大電容的下方，CPLD在兩顆芯片的左邊，TI的數(shù)字隔離器在中間。如果仔細(xì)看，可以看到這些器件附近的絲網(wǎng)印刷的電流隔離線。

　　安捷倫B2912A SMU模擬板。圖片來源：Dave Jones，EEVblog.com

　　因為這是《Xilinx午后加油站》博客，所以我只能聚焦在拆解過程中的可編程邏輯的相關(guān)部分，除此之外，我們還可以從中學(xué)到很多東西，這就是完整的、數(shù)小時長的視頻：