什么是源測量單元(SMU)？

概覽

事實(shí)上，所有的研究、設計、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)應用都需要一個(gè)能為正在開(kāi)發(fā)或測試中的設備提供能量的儀器。大多數這類(lèi)應用還必須能夠監視這臺設備所消耗的電壓和電流，來(lái)描述設備的性能或測試設備是否正常工作。通常，你可以采用一個(gè)可編程電源來(lái)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求。這種電源既可以提供恒定的電壓或恒定的電流，也可以讀取相應的電壓值或電流值。在這些應用中，對于電流的測量而言，毫安級的靈敏度通常就足夠了。

有些應用對供給電源和測量的精度的要求就比較高，超出了常用的可編程電源的毫安級電流靈敏度的范圍。譬如，對于我們身邊隨處可見(jiàn)的電子設備而言，輸入的每一毫安電流都會(huì )降低電池的壽命。所以，通常制造商們需要在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中了解它們的特性。于是，具備微安級靈敏度的高精度的電源就成為了最佳選擇。

一些其它應用甚至會(huì )要求更高的精度和更多的特性。例如半導體檢驗和表征的應用中，就需要納安級的電流靈敏度。另外，對更高的靈敏度、更快速度、遠端電壓檢測和四象限輸出的要求，使得傳統的可編程電源難以勝任。在這些需要精確的高精度電源并包含測量功能的應用中，源測量單元（SMU）就表現出良好性能。

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。

目錄

精度

遠端電壓檢測

4-象限操作（供能和吸能）

掃描

PXI可編程電源和SMU

精度

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

雙極

對于歸類(lèi)為4-象限的電源或SMU而言，它必須具備在同一端口提供正電壓和負電壓的能力。這對描述同時(shí)具有正向和反向特性的有源設備中的擊穿現象是非常重要的。你可以采用一個(gè)輸出通道來(lái)提供從負到正的掃描電壓，以表征這些正向和反向特性。PXI-4130功率SMU在它的兩極SMU通道上提供了+20 V到-20 V的電壓輸出。

圖3. 典型齊納二極管的電流-電壓曲線(xiàn)，顯示正向和反向擊穿特性

功率吸收

類(lèi)似的，歸類(lèi)為4-象限的電源或SMU，不僅必須能夠提供功率，還必須能夠吸收功率。提供功率是指為電路提供激勵，而吸收功率是指消耗外部有源器件(例如電池、充電電容、或另一個(gè)電源)提供的功率?？梢耘渲?-象限源，將其設為吸收電流模式來(lái)對電容或電池進(jìn)行放電。譬如，PXI-4130提供了高達10W的功率吸收能力。

掃描

SMU的主要應用是對各種電子器件、半導體設備和用戶(hù)芯片設計進(jìn)行表征和分類(lèi)。通?？梢圆捎脤⒁幌盗须妷夯螂娏髦狄?huà)呙璺绞教峁┙oDUT來(lái)實(shí)現以上功能。繪制二極管和三極管的IV曲線(xiàn)就是這種應用的一個(gè)典型案例。在這種應用中，給在DUT的兩端提供掃描電壓，并測量其得到的電流。

掃描可以采用多種方式，可以是線(xiàn)性方式或者對數方式，也可以是自定義方式，直流方式或者脈沖方式。當SMU測量得到的電壓和電流時(shí)，以3000S/秒的速度掃描電壓和電流。此外，PXI-4130還提供了一個(gè)額外可編程電源作為實(shí)用通道，可以提供6V電壓和1A電流。你可以使用該通道為雙極結型晶體管(BJT)提供基極電流，或者為場(chǎng)效應管(FET)提供柵極電壓。圖4描述了NI LabVIEW SignalExpress環(huán)境中，采用PXI-4130 power SMU掃描雙極結型晶體管得到的IV曲線(xiàn)。

圖4. 使用PXI-4130 Power SM掃描雙極結型晶體管得到的IV特性曲線(xiàn)

PXI可編程電源和SMU

NI為PXI提供了兩種高精度電源：PXI-4110可編程電源和PXI-4130 功率SMU。雖然它們都只是一塊3U的 PXI模塊，但卻都比其他傳統的電源具備更高的精確度。圖5顯示了這兩種NI高精度電源與傳統可編程電源之間在電流測量靈敏度方面的對比。

圖5. NI公司PXI高精度電源的價(jià)格和精度的比較