选择模块化源测量单元(SMU)的几大测量考虑

1. IV范围

针对设备选用具有适当电压电流范围的源测量单元(SMU)对于应用的成功至关重要。IV范围通常由图1中象限图来表示，它指的是SMU可以拉或灌的电压和电流值。拉和灌这两个词描述的是设备的功率流入和流出。拉电流的设备可为负载提供电流，而灌电流的设备就像一个负载，被动吸收流入的电流，且可为电流提供返回路径。

图 1. 四个象限区域表示设备拉灌的电流或电压值

在上面的象限图中，I和III象限代表设备处于拉电流状态，而象限II和IV代表设备处于灌电流状态。在象限I和III内均能够拉电流的设备有时也称其具有两极性，因为这些设备能够既能产生正电压和电流，也能产生负电压和电流。“四象限SMU”这个词通常用语描述可拉灌电流的双极SMU。

例如，NI PXI-4132 四象限SMU的最大电压输出是100 V，最大电流输出是100 mA；但是，它不能同时输出100 V的电压和100 mA的电流。在这种情况下，象限图就提供了所需的信息，帮助您轻松地确定SMU可以提供或灌入的最大电压和电流组合。仅仅是简单地列出具有多个量程的SMU的最大电压和电流并无法为您提供足够的信息来确定该仪器是否符合设备的IV要求。

图 2. NI PXI-4132 IV 范围

表1 归纳了每种NI电源和SMU设备每个通道的输入输出能力。

表1. NI仪器产品每个通道的输入输出能力

2. 精确度

电源或SMU的测量分辨率是指电压或电流测量中硬件可以检测到的最小变化。电源或SMU输出通道的输出分辨率是指输出电压或电流电平的最小可能变化。这些测量通常以绝对单位表示，比如nV 或pA。分辨率通常是由测量所使用的模数转换器(ADC)决定，但高精度SMU通常受限于噪声等其他因素。

灵敏度是指仪器在规定的条件下能够检测到且有意义的给定参数的最小单位。这个单位通常等于电源或SMU最小量程内的测量分辨率。

一般情况下，应该使用SMU的最小量程才能获得最佳精度。该信息可在仪器的规范手册中找到。以下是一个例子：

表 2. NI PXIe-4139 电流编程和测量精确度/分辨率

3. 源测量准确度

电源或SMU的测量或输出电平与实际或要求的值可能会有所不同。准确度表示的是一定测量或输出电平下的不确定度，也可以指与理想传递函数的偏差，如下所示：

y = mx + b

其中 m 是指系统的理想增益

x 是指系统的输入

b 是指系统的偏置

y 是系统的输出

该公式用于电源或SMU信号测量时，y 是指设备的输出读数值，其中 x 作为输入， b 为偏置误差，可在测量之前将其归零。如果 m 为 1， b为0, 则输出测量值等于输入值。如果 m 为 1.0001,则测量结果与理想值的偏差是0.01%。

对于大多数高分辨率、高准确度电源与SMU，准确度是指偏置误差和增益误差的组合。这两种误差相加可用于确定特定测量的总体准确度。 NI电源与SMU通常以绝对单位（例如mV或μA）来表示偏置误差，而增益误差通常是读数或请求值的百分比。

SMU的典型源测量准确度等于或低于所设定输出的0.1％。每个NI SMU仪器的规范手册中均有提供这些信息。

表 3. NI PXIe-4139 的电压编程和测量准确度/分辨率

4. 测量速度

测量采集窗口或孔径时间会直接影响测量速度和精确度。某些SMU可修改仪器的孔径时间，使您能够灵活地扩展高精确度测量的采集窗口，或者减小高速采集的窗口。扩展测量孔径可让仪器有更多的时间进行采样和平均，从而降低测量噪声和提高分辨率。下图显示了在不同的电流范围下测量噪声与孔径时间之间的函数关系。

图 3. 测量噪声与孔径时间的函数关系图

为了实现高精确度测量，使用的孔径时间必须既能够提供适当分辨率，同时仍可最大限度地减少整体测试时间。相反，对于精确度较低的测量或者对线路或负载瞬态等信号进行数字化时，应该使用较小的孔径时间。例如， NI PXIe-4139 能够以高达1.8 MS / s的速率采样，可帮助您详细研究SMU输出的瞬态特性。取决于电流范围，当噪声为1 nA – 10mA时测量速度可达到1.8 MS / s。

5. 源更新率

SMU的更新速决定了SMU输出电压或的电流的变化速率。例如，更新率为100 kS / s的SMU能够每隔10 us为下一个点提供电流。更新速率快的SMU能够以比传统SMU快得多的速度执行冗长的IV扫描。此外，更新速率快的SMU还可为正弦波等非传统序列提供电流。

图 4. 通过改变源延迟或者电压阶跃开始和测量开始之间的时间差来控制SMU的更新率。

6. 瞬态响应

瞬态响应是指电源对于电压或电流突变的响应，电压或电流突变通常是由于负载变化等外部事件或者输出电压阶跃等内部事件引起的。

外部负载变化

外部负载电流的变化会引起电压急剧变化，使电压短暂地低于预期电压输出。瞬态响应是指负载电流发生变化(ΔI)时电源电压恢复到一定电压值(ΔV)所需的时间。快速瞬态响应对于移动设备的供电至关重要。待测设备(DUT)消耗的负载电流如果发生较大的瞬时变化，会导致输出电压骤降，随后通过电源的控制电路将输出电压恢复到其原始值。对于典型的可编程电源，这往往需要数百微秒的时间。而NI PXIe-4154的20µs瞬态响应（设置为“快速”模式时）能够使模拟电路在测试过程中迅速响应负载电流的变化。如此短的恢复时间成为许多采用脉冲式通信协议的无线通信设备的最佳选择。

图 5. 瞬态响应的典型定义图

改变SMU输出

当SMU输出改变时，该仪器的瞬态设置定义了输出的上升时间以及达到预期输出并处于稳定状态所需的时间。理想的瞬态响应具有快速上升时间，且没有任何过冲或振荡。在许多负载下，需要在瞬态响应和电源稳定性之间进行权衡。如果要获得最快瞬态响应，设备应具有高增益带宽积(GBW)，但增益带宽积越高，设备在特定负载下变不稳定的可能性越高。因此，大多数设备在许多情况下以牺牲性能为代价来获得稳定性。其他设备可在很小程度上实现自定义，以在不同情况下优化性能。例如，许多传统SMU具有“高容量”模式，专用于与具有高达50 uF电容的设备一起使用的情况。

某些NI SMU采用了称为NI SourceAdapt的数字控制回路技术，该技术使您能够自定义调整SMU的瞬态响应，从而获得针对任何给定负载的最佳响应。这提供了最佳源测量单元响应，同时也可实现最短的稳定时间，从而缩短了等待时间和测试时间。此外，该技术不仅消除了过压，保护了待测设备(DUT)，而且也消除了振荡，确保了系统的稳定性。由于源测量单元响应的调整是通过编程软件来完成的，您可以轻松地将针对高速测试的源测量单元重新配置为针对高稳定性测试的单元—这样可以最大化您的测试设备投资回报，以及获得更好的测试结果。

图 6. The NI PXIe-4139 具有可配置的瞬态响应设置，以灵活地对输出控制回路进行负载补偿。

以下表格列出了采用NI SourceAdapt技术的NI SMU型号：

表 4. 快速查看采用NI SourceAdapt技术的NI产品。

7. 序列或扫频

SMU通常有两种输出模式：单点或序列。在单点模式下，SMU仅输出一个值，而在序列模式下，SMU输出一系列值，并测量每个点的IV数据。

单点源模式

单点模式通常是用于捕获某个值的IV数据，比如测试二极管的正向电压，或者使用SMU为待测设备供电（如以恒定电压为集成电路供电）。单点模式的用例包括开发软件定时的序列，在软件中循环运行一系列单点SMU输出。当SMU在没有事先计划的情况下不支持更改特定功能时，软件定时的序列可以用于代替硬件定时的序列。

序列模式

SMU在序列模式下运行时可输出一系列硬件定时的值，提供了更快速且更确定的输出（以及与其他PXI仪器同步）等优势。这一过程包括SMU提供直流电压或电流，然后测量电压和电流，接着再循环至序列中下一个点。取决于SMU功能，您可以更改序列中每一步的输出电平、电流或电压范围、孔径时间以及瞬态响应。对于存储大量序列，SMU提供了两种方法：专用的板载内存和支持从主机到SMU低延迟数据流传输。例如，NI PXIe-4138和NI PXIe-4139PC通过一个高带宽低延迟PCI Express连接将数据从主机传输到SMU，并可让您透明地输出具有数百万个设定值和属性的序列。

序列模式通常用于IV特性记述或老化测试，而且对于那些需要与其他仪器紧密同步的应用（如测试射频集成电路）通常是必不可少的。

8. 脉冲生成

大多数使用SMU的半导体测试应用均涉及某种形式的源测量操作。在序列模式下，该过程通常包括SMU提供直流电压或电流，然后测量电压和电流，接着再循环至序列中下一个点。基本的直流扫描会以递增方式逐渐增加输出，直至完成序列的每个点，如下图所示，该图显示了一个五步电流值序列。

图 7. 基本直流扫描时的五步序列示例

某些应用中，特别是高功率应用中，如果没有关闭SMU输出就试图扫描序列，可能会导致不正确的行为或复杂的测试设置。对于这些应用，SMU的脉冲输出是首选，因为该输出可让您在不同的设定点进行源测量，同时最大限度地减少通过DUT的散热损失。脉冲扫频与直流扫描的相似之处在于两者均包含输出设定值、等待输出稳定然后进行测量等过程。脉冲测试的不同之处在于，源在经过很短的脉冲持续时间后恢复到偏置电平。在大多数情况下，设定偏置电平的目的是为了关闭DUT（例如0V或0A）。

图 8. 脉冲输出可让源在转到下一个设定值之前恢复至偏置电平。

在理想条件下，前面两个图中的脉冲序列和直流序列应该返回至相同的IV数据。然而，如前面提到的，直流序列通过DUT消耗的热量更多，这会导致不正常的行为和较不理想的测试结果。这也是这些类型的应用优先选择脉冲测试的原因。在脉冲模式下进行测试时，脉冲宽度应该足够长，使得设备能够达到全导通状态以进行稳定的测量，同时脉冲宽度又必须足够短，以最小化待测设备的自热效应。在生成脉冲时，快速干净的SMU响应显得尤为重要，这是因为SMU总是从脉冲偏置电平开始，而不是以小幅增量逐渐增大输出。

特定的SMU可让您生成超出传统直流电源范围的脉冲，以满足需要更高电流的应用。例如，NI PXIe-4139可在50 V电压下生成高达10 A的脉冲，提供高达500 W的瞬时功率。取决于负载和SourceAdapt控制设置，脉冲宽度可以短至50微秒。短脉冲宽度不仅缩短了测试执行时间，而且还可最大程度降低待测设备的散热，便于测试工程师进行测试，否则可能需要增加散热器或其它热控制机制。

图 9. NI PXIe-4139 IV 范围

9. 通道密度

模块化SMU的一个主要优点是紧凑的尺寸。传统SMU配有专门的显示器、处理器、电源、风扇、旋钮以及其它冗余组件，使得构建高通道数系统的过程复杂化。由于模块化SMU与机箱和控制器共享组件，从而减少了冗余组件，占用空间比传统仪器要小得多，最终减小了测试系统的体积和功耗。

应用所需的通道数会随着时间而变化。传统箱式SMU的一两个通道已经无法满足许多应用的需要。半导体行业的并行IV测试系统更是如此，该测试需要在紧凑的空间中使用大量的SMU通道。借助NI模块化SMU，您可以将多台仪器组合在单个PXI机箱中，在19寸4U的机架空间内创建多达68个SMU通道的高通道数解决方案，传统SMU仅可提供四到八个通道。 PXI平台的紧凑尺寸和模块化特性还使您能够将SMU与其他基于PXI的仪器（如示波器、开关和射频仪器）相结合，以建立高性能混合信号测试系统。
 

图 10.使用高密度NI SMU在单个4U机架内构建高达68个SMU通道的系统。

10. 定时和同步

触发是启动设备操作的一种信号。事件是指设备发出的信号，用于指示某个操作已完成或某个状态已达到。您可使用触发和事件同步单个NI电源或SMU中的多个操作或者同步与其他PXI/ PXI Express设备的操作。许多应用涉及多种仪器，如示波器、信号发生器、数字波形分析仪、数字波形发生器和开关。对于这些应用，PXI和NI模块化仪器的固有定时和同步功能使您无需使用外部电缆即可同步所有这些仪器。

使用该触发功能时，您可从以下触发类型中进行选择：

• 开始：源单元测量单元接收到该触发后，开始执行操作。
• 源：设备接收到该触发后，源单元开始修改源配置。
• 测量：测量单元接收到该触发开始进行测量。而测量单元进行测量时，该触发被忽略。
• 序列前进：完成一次序列迭代后，源单元等待接收到该触发后才开始下一次迭代。
• 脉冲：源单元等待接收到该触发后，开始从“脉冲偏置”转换至“脉冲电平”。

PXI平台针对触发进行优化的一个例子是NI PXIe-4138/4139模块。模块通过PXI机箱背板来发送和接收触发和事件，从而简化了编程和系统布线。这些模块还可以实现硬件定时，同时具有高速序列引擎来同步多个SMU之间的握手。

图 11. 用于触发和定时的序列引擎图

NI PXIe-4138与NI PXIe-4139模块还利用了PXI的高带宽和低延迟优势，而且支持主机和SMU之间的直接DMA数据流传输。这使您能够以仪器的最高更新率(100 KS/s)和采样率(1.8 MS/s)透明地传输大量的波形和测量数据，从而消除了传统仪器总线的带宽和延迟瓶颈。

11. 软件、分析功能和自定义化

为应用选择模块化SMU时确定软件和分析功能是非常重要的，因为该因素可以帮助您在两台仪器之间做出选择。

独立式SMU通常采用基本的寄存器级命令以及供应商定义的功能，而模块化SMU是用户可定义的，可灵活地解决应用的需求。箱式SMU提供了许多标准功能，能够满足许多工程师的常见需求。不难想象，这些标准功能并不能解决所有的应用需求，特别是对于自动化测试应用。如果您需要定义示波器要进行的测量，则应选择模块化SMU，而不是具有固定功能的独立式SMU，模块化SMU可利用PC架构的优势，同时也让您根据需求对应用进行自定义。
 

NI SMU可使用免费的NI-DCPower驱动软件来完全编程。NI-DCPower是一个兼容IVI的仪器驱动程序，随附于NI电源或SMU中，并可与所有的NI可编程电源和SMU通信。NI-DCPower具有一系列操作和属性，用于启动电源或SMU的功能，且该软件包含了一个交互式软面板。

图 12. 结合模块化SMU使用软面板快速进行测量

除了软面板，您还可使用NI LabVIEW、NI LabWindows™/ CVI、Visual Basic和.NET在NI-DCPower驱动软件中编程模块化SMU，以实现针对各种应用的常见和自定义测量。该驱动程序还可支持LabVIEW内基于配置的快速vi。

图 13. 使用LabVIEW软件编程模块化SMU

12. 针对高精确度测量的连接功能

使用遥感进行的测量有时也称为四线感应，需要四条线连接到待测设备（如果开关系统用于扩展通道数的化，还需要四线开关）。当输出引线电压显著降低时，使用遥感能够实现更精确的电压输出和测量。当遥感用于直流电流输出功能时，电压限制值是在感应引线端进行测量，而不是在输出接线端。使用遥感测量DUT接线端的电压比近端感应测量更准确。理想情况下，感测导线应尽可能靠近DUT接线端。

另一个要考虑的方面的是隔离(guarding)。隔离是为了消除高输入(HI)和低输出(LO)之间的漏电流和寄生电容的影响。隔离接线端由HI接线端电压之后的单位增益缓冲器驱动。在使用隔离的典型测试系统中，Guard位于HI和LO接线端之间。通过这样的连接， HI和Guard之间有压降效为0 V，因此HI没有任何电流泄露。Guard输出和LO之间可能会有一些漏电流，但是，电流是由单位增益缓冲器提供，而不是HI，因此这并不影响SMU的输出或测量。

举个例子，NI PXIe-4138/4139的测量电路可以同时读取输出接线端（近端感应）或感应接线端（遥感）的电压值和电流值。这些测量由始终保持同步的两个集成ADC进行。

另外如图10所示，NI PXIe-4138/4139的输出接线器上具有Guard和Sense两个接线端。您可以使用Guard接线端来实现电缆和测试夹具的隔离。如果启用遥感时，可以使用Sense接线端，从而补偿电缆和开关的电流-电阻损耗压降。

图 14. NI PXIe-4138/4139 的输出接线器上具有Guard和Sense两个接线端。

13. 下一步

模块化SMU能够执行与传统仪器相同甚至更好的测量，同时提供了一个平台来支持具有测量和通道功能的现代技术，以满足不断变化的需求。然而，无论是购买传统SMU还是模块化SUM，上述讨论的因素都非常重要。提前考虑应用需求、成本限制、性能和未来可扩展性可以帮助您选择最能满足您所有需求的仪器。