最快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 - 測試應(yīng)用快速擴(kuò)大陣列持續(xù)推動(dòng)SMUs儀器技術(shù)

最快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器
測試設(shè)備制造商總是盡力推動(dòng)從SMU每秒讀出更多的讀數(shù)。SMU的數(shù)字引擎得到升級(jí)，通信信道的帶寬增加，但最終提高速度最有效的方法就是降低測量本身的時(shí)間。由于卓越的抗噪能力，大多數(shù)SMU使用積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來進(jìn)行測量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結(jié)果。然而，從積分ADC得到的測量的質(zhì)量直接與時(shí)間相關(guān)，因?yàn)樗黄冗\(yùn)行的很快，因此測量的質(zhì)量被降低。

通過將輸入信號(hào)的值轉(zhuǎn)換為輸入電壓電平給電容充電的時(shí)間和反極性參考電壓給電容放電的時(shí)間之間的關(guān)系，那么積分ADC能夠產(chǎn)生杰出的測量結(jié)果。對于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙斜率積分ADC，這種關(guān)系表示為Vin = VREF（td / tc），其中Vin是被測信號(hào)，Vref是參考電壓，td是電容放電時(shí)間，tc是電容充電的時(shí)間。通過對電容充電一段時(shí)間，輸入信號(hào)的噪聲尖峰經(jīng)過平均后輸出，因此在測量中最大程度地減少了噪聲，提高了精度。對充放電周期中固定速率時(shí)鐘的時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此來測量電容進(jìn)行充放電的時(shí)間。假定tc和td為時(shí)鐘周期數(shù)，由這個(gè)方程可以看出，精度是由電容充電（tc）的時(shí)間所提供的。當(dāng)允許流過更長時(shí)間時(shí)，tc計(jì)數(shù)變得更大，它提高了參考電壓（Vref）被拆分的步長數(shù)。簡單地說，tc計(jì)數(shù)變長，測量的分辨率將會(huì)增加。

從這個(gè)等式可以看到儀器制造商可控制的變量是充電時(shí)間（tc）。為了加快測量，有必要允許積分ADC具有更少的充電時(shí)間，但是這樣做會(huì)降低測量的分辨率。吉時(shí)利數(shù)字源表儀器使用積分ADC，但是為了應(yīng)對速度提升帶來的分辨率的損失，他們引入了具有增強(qiáng)型多斜坡降低方法的積分ADC來替代更多的傳統(tǒng)的雙斜率方法。增強(qiáng)型多斜率下降積分ADC采用了多種創(chuàng)新技術(shù)以加快放電時(shí)間，允許在不降低充電時(shí)間的前提下提高速度，這樣就保證了最終的測量分辨率。這種類型的積分ADC如何工作已超出本文的范圍，但可在其它地方找到完整的描述。使用多斜率下降方法的創(chuàng)新技術(shù)允許吉時(shí)利使用積分型ADC的 SMU得到業(yè)界最快的高分辨率讀數(shù)。

吉時(shí)利2600A系列數(shù)字源表儀器使用增強(qiáng)型多斜率下降積分型ADC，具有每秒讀取20000個(gè)讀數(shù)的能力。然而，對于需要更快測量的應(yīng)用，積分ADC損失了分辨率和精度，因此必須使用不同類型的ADC。

吉時(shí)利型號(hào)2651A高功率源表儀器包含一個(gè)積分ADC和18位高速數(shù)字化ADC，具有每秒讀出高達(dá)百萬個(gè)讀數(shù)的能力。使用此高速ADC，2651A具有市面上所有SMU中最高的讀出速率，同時(shí)仍保持高的測量分辨率。

圖3：型號(hào)2651A的18位高速數(shù)字化ADC捕獲300微秒50A的脈沖

圖3解釋了型號(hào)2651A高數(shù)字化ADC的能力。此ADC使用400個(gè)采樣和一微秒的時(shí)間間隔，使得它可以完整捕獲全部300微秒50A的脈沖。有了這樣的功能，型號(hào)2651A不需要額外的測試設(shè)備，也可以準(zhǔn)確地捕捉設(shè)備的瞬態(tài)及熱效應(yīng)。

多通道的可擴(kuò)展性
無論單個(gè)SMU可能的速度有多快，當(dāng)集成到系統(tǒng)中性能降低的話，它的優(yōu)點(diǎn)也被浪費(fèi)。部件SMU本質(zhì)上較少受這個(gè)問題的影響，這要?dú)w功于他們的高速及通過PCI或PCIe背板（133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1）連接到主機(jī)系統(tǒng)的低延遲。相反地，基于儀器的SMU是通過外部總線如GPIB和主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，GPIB的速度只是背板速度（1.8MB / s標(biāo)準(zhǔn)）的一小部分。吉時(shí)利的工程師在設(shè)計(jì)2600A系列源表儀器時(shí)意識(shí)到了這點(diǎn)，并通過使用測試腳本處理器（TSP?）使其脫離主機(jī)系統(tǒng)自主運(yùn)作，并通過稱為TPS-Link?的技術(shù)的高速、低延遲總線進(jìn)行相互通信和同步。

傳統(tǒng)的基于儀器源測量單元（SMU）要求每次從主機(jī)的一條總線傳送一個(gè)命令，因?yàn)樗袃x表共用一條總線，每次只能供一個(gè)儀表使用和通信。由于總線速度緩慢，大部分時(shí)間用于在總線和儀表之間發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，而其他儀表經(jīng)常閑置。TSP技術(shù)允許儀器自主運(yùn)行主機(jī)系統(tǒng)的測試腳本，幾乎省去了傳輸指令的時(shí)間。一旦腳本裝入基于TSP的源測量儀表，就可以執(zhí)行整個(gè)測試序列，主機(jī)只需要傳送一個(gè)命令：指示儀器運(yùn)行腳本。

圖4：TSP-Link網(wǎng)絡(luò)實(shí)例，含3個(gè)源數(shù)據(jù)儀表

TSP-Link省去了連接多個(gè)源數(shù)據(jù)儀表的需求，只需一條帶寬有限的GPIB總線就可以滿足需求。有了TSP-Link技術(shù)，只需將一個(gè)源數(shù)據(jù)儀表與GPIB總線相連，其他源數(shù)據(jù)儀表則與“菊花鏈”配置（通過便宜的CAT5e交叉線連接）相連。首先，通過TSP-Link技術(shù)將其他源數(shù)據(jù)儀表連接，這些儀表的源測量單元（SMU）以第一個(gè)源數(shù)據(jù)儀表的額外源測量單元（SMU）通道形式出現(xiàn)，通過在第一個(gè)源數(shù)據(jù)儀表上運(yùn)行腳本就可以快速訪問。

與組件源測量單元（SMU）不同，利用TSP-Link技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通道擴(kuò)展不限于主機(jī)的少數(shù)插槽。TSP-Link技術(shù)的無主機(jī)擴(kuò)展最多允許連接32個(gè)儀表，有可能創(chuàng)建一個(gè)包含64個(gè)源測量單元（SMU）通道的系統(tǒng)。此外，由于源測量單元（SMU）是基于儀表的，可用電源數(shù)量不限于底板提供的電源。即使在基于大功率組件源測量單元（SMU）系統(tǒng)中，某些型號(hào)也只能提供最大84W的電源。通過接口TSP-Link可以連接32個(gè)2651A型大功率源數(shù)據(jù)儀表，這樣創(chuàng)建的系統(tǒng)就可以提供6.4kW直流電源。

TSP-Link技術(shù)提供了一流的系統(tǒng)擴(kuò)展方法，不需要昂貴的GPIB適配器和線纜，而且通過大量減少儀表與主機(jī)之間通信數(shù)量，可以提高系統(tǒng)吞吐量。不過，TSP-Link技術(shù)的真實(shí)功率在于其同步運(yùn)行多個(gè)測試提高吞吐量的能力。除了源測量單元（SMU），無論它們是在底板上基于組件的SMU還是在GPIB總線上基于儀表的SMU，訪問總線是受限的，主機(jī)每次必須向每個(gè)SMU發(fā)送命令。為系統(tǒng)增添更多的SMU意味著增加主機(jī)必須處理的器件數(shù)量，主機(jī)必須向其發(fā)送命令。由于在這些系統(tǒng)中，每次只能向一個(gè)SMU發(fā)送命令，因此所有測試都必須按順序進(jìn)行。

再通過TSP-Link接口連接的系統(tǒng)中，可以對網(wǎng)絡(luò)中的儀表進(jìn)行分組，每組擁有自己的測試腳本處理器，能夠與系統(tǒng)中的任何其他組并行運(yùn)行腳本。分組中可以包括單一源數(shù)據(jù)表或多個(gè)源數(shù)據(jù)表，而且通?？梢愿鶕?jù)測試器件所需的SMU通道數(shù)量進(jìn)行分組。例如，如果正在測試的器件是一個(gè)四端口（柵極、漏極、源極、基極）MOSFET，對晶圓進(jìn)行測試，而且每個(gè)管腳需要一個(gè)SMU，那么可以將其分組為兩個(gè)雙通道源數(shù)據(jù)表，如2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表。一旦確定分組而且為每組指定運(yùn)行的腳本，主機(jī)就可以通過一個(gè)命令指示所有組開始并行運(yùn)行。由于在內(nèi)存中已經(jīng)存儲(chǔ)每組的腳本，主機(jī)只需再次發(fā)送命令就可以進(jìn)行反復(fù)測試。

以晶片上的4端口MOSFET為例，假設(shè)一個(gè)TSP-Link網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)組以及一個(gè)完整的測試序列，步驟如下：

主機(jī)發(fā)送開始執(zhí)行的命令。
腳本運(yùn)行并對器件進(jìn)行一系列完整的測試。
數(shù)據(jù)反饋至主機(jī)，同時(shí)探測臺(tái)將探針移至下一個(gè)測試點(diǎn)。

如果整個(gè)序列需要1秒鐘完成，那么照此速度，每分鐘就可以測試60個(gè)點(diǎn)位。如果為TSP-Link網(wǎng)絡(luò)添加另外一組，測試仍然只需1秒鐘完成。不過，增加第二組后，有可能對兩個(gè)器件并行測試，因此吞吐量將翻倍，即每分鐘測試120個(gè)點(diǎn)位。利用TSP-Link技術(shù)，只需為網(wǎng)絡(luò)添加分組，就可以提高系統(tǒng)吞吐量。

支持最大性能的I/O連接器

吉時(shí)利工程師為源數(shù)據(jù)表選擇了輸入/輸出連接器，旨在為目標(biāo)應(yīng)用提供最大性能。對于中級(jí)信號(hào)范圍，banana連接非常適合傳輸信號(hào)并提供最大的易用性，這也是2400 系列源數(shù)據(jù)表提供這種連接的原因。不過，對于那些電流很大或很小的應(yīng)用H，banana連接則不能支持所需的性能等級(jí)，因襲必須使用其他連接器。

對于像2651A型大功率源數(shù)據(jù)表這樣的大電流源數(shù)據(jù)表，其直流電流高達(dá)20A，脈沖電流高達(dá)50A。

常見的banana連接器的額定電流是15A，接觸電阻高達(dá)10 mΩ。在50A電流時(shí)，僅這個(gè)接觸電阻就將帶來0.5V的壓降。吉時(shí)利選擇使用性能更優(yōu)的菲尼克斯連接器，其額定電流高達(dá)76A DC。這種連接器的電流容量額定值不僅足以滿足2651A型儀表需求，而且其接觸電阻非常低，不會(huì)在測試引線產(chǎn)生過大的壓降，從而實(shí)現(xiàn)了性能最大化，減緩上升和穩(wěn)定時(shí)間。菲尼克斯連接器的額定接觸電阻僅為0.3 mΩ，在50A電流時(shí)的壓降僅為15mV。為了便于器件連接，連接器與螺旋式接線柱已進(jìn)行匹配，提高了易用性。

對于電流低于1毫微安培的應(yīng)用，選擇泄露電流最小并支持所需電壓的連接器非常重要。這也是吉時(shí)利公司的源數(shù)據(jù)表，如237型高壓源測量單元、2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表以及6430型亞FA程控?cái)?shù)據(jù)源表，都使用三軸連接器的原因。標(biāo)準(zhǔn)的三軸連接器可以在1500V高壓下安全運(yùn)行，并涵蓋這些儀表的輸出電壓容量。不過，使用三軸連接器的最大益處是將漏電流減到最小，實(shí)際上通過保護(hù)測試信號(hào)，幾乎可以杜絕漏電流。

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