源測(cè)量單元?(SMU)是用于測(cè)試各種設(shè)備的電流電壓(I-V)特性的重要儀器。這些設(shè)備包括從晶體管等電子元器件到隨身聽(tīng)或者醫(yī)療設(shè)備等集成電子產(chǎn)品。?

1. 導(dǎo)言

源測(cè)量單元采用閉環(huán)反饋控制，以確保編程的源值（設(shè)定值）正確地應(yīng)用于待測(cè)負(fù)載。傳統(tǒng)的源測(cè)量單元使用模擬硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制循環(huán)，但是這種方式有得有失。例如，針對(duì)高速測(cè)試的寬帶源測(cè)量單元通常不適合用于測(cè)試需要高穩(wěn)定性的高電容負(fù)載。另一方面，針對(duì)高電容負(fù)載測(cè)試的源測(cè)量單元也不太適合用于高速測(cè)試。事實(shí)上，大多數(shù)傳統(tǒng)的源測(cè)量單元通常是針對(duì)高速測(cè)試或高穩(wěn)定性測(cè)試而設(shè)計(jì)的。即便如此，獲得最佳響應(yīng)仍然十分困難，因?yàn)樵O(shè)計(jì)剛好能夠?yàn)椴煌?fù)載提供正確響應(yīng)的電路本身就特別困難。

NI SourceAdapt技術(shù)可幫助您自定義調(diào)整針對(duì)給定負(fù)載的源測(cè)量響應(yīng)，從根本上解決了這個(gè)問(wèn)題。這提供了最佳源測(cè)量單元響應(yīng)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)最短的穩(wěn)定時(shí)間，從而縮短了等待時(shí)間和測(cè)試時(shí)間。此外，該技術(shù)不僅消除了過(guò)壓，保護(hù)了待測(cè)設(shè)備(DUT)，而且也消除了振蕩，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于源測(cè)量單元響應(yīng)的調(diào)整是通過(guò)編程軟件來(lái)完成的，您可以輕松地將針對(duì)高速測(cè)試的源測(cè)量單元重新配置為針對(duì)高穩(wěn)定性測(cè)試的單元 –這樣可以最大化您的測(cè)試設(shè)備投資回報(bào)，以及獲得更好的測(cè)試結(jié)果。

圖 1. 源測(cè)量單元的電容負(fù)載響應(yīng)：NI SourceAdapt技術(shù)使您可以對(duì)響應(yīng)進(jìn)行自定義（紅線所示），以實(shí)現(xiàn)最大穩(wěn)定性和最短瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

2. 傳統(tǒng)模擬控制循環(huán)的局限性

最根本的問(wèn)題在于負(fù)載會(huì)直接影響用于調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的控制循環(huán)傳遞函數(shù)。由此可見(jiàn)，要獲得理想的響應(yīng)，給定負(fù)載需具備可配置性。

過(guò)去，測(cè)試儀器供應(yīng)商采用不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可配置的傳遞函數(shù)。在傳統(tǒng)的方式中，供應(yīng)商在控制循環(huán)的反饋路徑內(nèi)外引入了切換電抗元件，這種方法的局限性在于它的效果、可配置性以及可擴(kuò)展性。在SourceAdapt技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)，真正的自定義補(bǔ)償需要我們徹底重新考慮如何構(gòu)建源測(cè)量單元控制循環(huán)。

源測(cè)量單元的控制循環(huán)是兩個(gè)封閉控制循環(huán)的疊加：一個(gè)電流閉環(huán)和一個(gè)電壓閉環(huán)。圖2a展示了傳統(tǒng)源測(cè)量單元的構(gòu)架理念。

圖 2a. 傳統(tǒng)源測(cè)量單元簡(jiǎn)易圖 注意：控制循環(huán)(V-I Control)是采用模擬硬件組件實(shí)現(xiàn)的，所以可配置性非常有限。

V-I Control為電流和電壓賦予了設(shè)定值，其閉環(huán)反饋機(jī)制可以精確地控制輸出電壓和電流，使其符合設(shè)定值。整個(gè)控制循環(huán)是用放大器以及其他一些有源模擬硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。反饋信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)讀取，從而提供了高精度測(cè)量。如果要改變構(gòu)架的補(bǔ)償模式，則需要添加分立的電抗元件。從某種程度上說(shuō)，可以通過(guò)使用開(kāi)關(guān)以編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)此類(lèi)調(diào)整，但是這種方法是有局限性和缺陷的。這種方法至多只能讓您從幾個(gè)可能實(shí)現(xiàn)的配置方案中選擇一個(gè)來(lái)實(shí)施。這并不能滿足針對(duì)給定負(fù)載優(yōu)化源測(cè)量單元響應(yīng)的要求。那么，如何才能隨心所欲地配置控制循環(huán)呢？答案就在于采用全新的構(gòu)架，如圖2b所示。

圖 2b. 全新的NI源測(cè)量單元構(gòu)架 注意：控制循環(huán)(V-I Control)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的數(shù)字域內(nèi)。

在這個(gè)新構(gòu)架中， V-I Control轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的數(shù)字域內(nèi)。與模擬控制循環(huán)不同，數(shù)字控制循環(huán)可完全通過(guò)軟件進(jìn)行配置，因而我們可以通過(guò)優(yōu)化控制循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)現(xiàn)有負(fù)載的理想響應(yīng)?？刂蒲h(huán)的多樣化實(shí)現(xiàn)方式使得SourceAdapt技術(shù)成為可能– 提供針對(duì)任意負(fù)載的自定義源測(cè)量單元響應(yīng)。

圖 3. 全新的數(shù)字V-I Control實(shí)現(xiàn)模式

V-I Control包含一個(gè)積分器（用于為回路提供直流精確度和一般調(diào)節(jié)功能）以及一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)自定義補(bǔ)償?shù)牧銟O點(diǎn)濾波器。這兩個(gè)模塊都是用戶可配置的，所具有的可配置性是模擬控制循環(huán)無(wú)法企及的。同時(shí)，借助于快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及FPGA的處理能力，整個(gè)回路完全可滿足精確源測(cè)量應(yīng)用的需求。最終，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可配置性非常強(qiáng)的架構(gòu)，而且無(wú)需犧牲性能。