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(yíng)著(zhù)EEVblog.com網(wǎng)站，在5年時(shí)間里，上傳了超過(guò)600個(gè)電子類(lèi)的視頻。在每周二，Jones會(huì )拆解一個(gè)不錯的設備(當然，有時(shí)候沒(méi)有那么好)，Jones并不是簡(jiǎn)單地把盒子破壞、打開(kāi)，他會(huì )用他豐富的電子設計知識來(lái)說(shuō)明這個(gè)設備是怎么設計的，為什么要這么設計。

　　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)，高速數字轉換能力 ( 采樣率最高為 100000點(diǎn)/秒 )，這些精密儀器通常被用來(lái)測量半導體器件，并產(chǎn)生我們在數據手冊上看到的電壓-電流曲線(xiàn)。

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

　　在長(cháng)達數小時(shí)的拆解視頻中，Jones發(fā)現了至少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(gè)STMicro SPEAR eMPU(ARM Cortex-A9)和1個(gè)Xilinx Spartan-3E XC3S1200E FPGA器件，從板子的布線(xiàn)可以看到，Xilinx FPGA為SPEAR處理器芯片提供了外部I/O的擴展，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(lái)源：Dave Jones，EEVblog.com

　　Jones在視頻中指出，安捷倫為了后續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(lái)，這樣可以只升級處理器板上的快速演進(jìn)的數字部件，而不需要改變模擬板的設計?！八麄?安捷倫)想制造一個(gè)適應未來(lái)15年發(fā)展的儀器，在這15年里，模擬部分的設計不會(huì )過(guò)時(shí)，但是數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在來(lái)設計，為了對性能進(jìn)行升級以及簡(jiǎn)化設計，安捷倫很可能會(huì )采用Zynq完全可編程的SoC器件來(lái)替代上面STMicro SPEAR處理器芯片，因為Zynq SoC器件內置了一個(gè)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(gè)細節，他發(fā)現板上使用了一個(gè)TI ISO7240M雙通道數字隔離器來(lái)把兩顆可編程器件分開(kāi)。Spartan-6 FPGA實(shí)現了任意波形發(fā)生器的功能。該FPGA要驅動(dòng)一個(gè)TxDAC的模擬器件，TxDAC接著(zhù)要驅動(dòng)板子的power FETs，power FETs水平分布在板子的中央位置，上面覆蓋著(zhù)大塊的鋁散熱片。Jones認為，CPLD的用途是把儀器處理器板的執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位于右側大電容的下方，CPLD在兩顆芯片的左邊，TI的數字隔離器在中間。如果仔細看，可以看到這些器件附近的絲網(wǎng)印刷的電流隔離線(xiàn)。

　　安捷倫B2912A SMU模擬板。圖片來(lái)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(guò)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、數小時(shí)長(cháng)的視頻：