電源測量單元(SMU)

SMU是一種精確供電設備，它不僅可以提供測量分辨率小于1mV的電壓源，還可以提供測量分辨率低于1uA的電流源。SMU還提供了遠端檢測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(xiàn)性?huà)呙桦妷汉蛼呙桦娏?，能夠獲得儀器的IV特性曲線(xiàn)。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)化測試系統中的常用組成部件。需要了解更多SMU精確特性及其相關(guān)應用的信息，請閱讀下面對應的段落。

使SMU區別于其它標準電源器件的最顯著(zhù)的特性就是它的高精度。精度定義為可重復性或可再生性。在考慮到儀器的精度時(shí)，請記住兩個(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到的最小的可測量(或可提供)的變化值。也就是說(shuō)，靈敏度就是能夠在設備的輸出端設置的最小增量，或能在設備的輸入端檢測到的最小增量。SMU 提供了多個(gè)電壓電流范圍供用戶(hù)設置和讀取，所以比標準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量值的最大不確定性。絕對精確度是以一個(gè)標準的有效讀取值作為參考而獲得的。通常，對電源供給和測量?jì)蓚€(gè)方面，SMU都具備小于等于輸出設定值0.1%的精確度。譬如，PXI-4130功率SMU的200μA量程的準確度達到了0.3%。

遠端電壓檢測

在精確的供給或測量電壓的應用中，一個(gè)最重要的問(wèn)題就是，待測設備(DUT)中導線(xiàn)阻抗對測量到的電壓值的影響。導線(xiàn)阻抗是無(wú)法消除的，在涉及到長(cháng)距離細導線(xiàn)的應用中，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加在DUT上的電壓產(chǎn)生巨大的作用。尤其當DUT的內部阻抗很小的時(shí)候，這種現象尤為明顯。

圖1顯示了一個(gè)普通電路，包含一個(gè)電壓源儀器、導線(xiàn)和一個(gè)DUT。在這個(gè)例子中，假設從電壓源連接到DUT的正極和負極導線(xiàn)的鉛阻抗都為1 ?。

圖1. 典型的可編程電源器件的連接圖

假設電源器件的輸出為5V，DUT的阻抗為1k。按照下列公式，可以計算出DUT終端的實(shí)際電壓：



在這種情況下，電壓實(shí)際只有4.99V。對某些器件而言，這種小的變化是微不足道的；然而，對那些需要高精度操作電壓的應用而言，這樣的誤差可能變得非常重要。此外，對那些低輸入阻抗的設備來(lái)說(shuō)，這將極大地降低導線(xiàn)端待測設備上電壓的變化。表1中列出了當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


這種導線(xiàn)阻抗引起的電壓誤差，可以通過(guò)遠端檢測來(lái)解決，也就是4-線(xiàn)檢測。這種技術(shù)直接測量DUT兩端電壓，并進(jìn)行相應補償，可以去除導線(xiàn)阻抗上的電壓降。這種方法類(lèi)似于數字萬(wàn)用表(DMM)采用的4-線(xiàn)阻抗測量方法，以消除阻抗測量中導線(xiàn)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(xiàn)端，用于這種4-線(xiàn)遠端檢測技術(shù)。這些額外接線(xiàn)端直接連接到DUT上。雖然用于遠端檢測的導線(xiàn)中仍然存在導線(xiàn)阻抗，但是電壓測量是處于高阻狀態(tài)的，所以沒(méi)有電流會(huì )從檢測導線(xiàn)中流過(guò)，因此也將不存在電壓降。

SMU通常具備了遠端檢測的能力，以充分利用它們所提供的增強的電壓靈敏度。PXI-4130 SMU上就具備遠端檢測能力（也稱(chēng)為”開(kāi)爾文檢測”），并可以在軟件中設置其開(kāi)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)、負電壓正電流(第二象限)、負電壓負電流(第三象限)和正電壓負電流(第四象限)。典型地，SMU的數據手冊中會(huì )包含一幅與圖2類(lèi)似的象限圖，顯示了在每個(gè)象限內可使用的最大電壓和電流。吸收象限區中通常采用一條實(shí)線(xiàn)表征持續功率耗散，采用一條虛線(xiàn)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，因為SMU的持續功率耗散能力可能比它的脈沖耗散能力要小得多。

對那些同時(shí)需要電源供給和吸收的應用（例如測試充電電池的充電周期，或者測試數字半導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象限區提供40W的功率，在II和IV象限區可以吸收10W的功率。

圖2. NI PXI-4130 Power SMU通道1的象限圖