工程师必备的测试应用，SMUs仪器技术的演进

自20年前推出SMU以来，源测量单元(SMUs)已演变成一个多用途的仪器类别，人们经常要求SMU解决电子行业应用的快速扩大阵列：

半导体设备制造，工艺开发和产品研发/设计

电子产品的生产验证，如便携式无线设备

器件所需新型先进材料的生产和开发，如太阳能电池和高亮度LED

几乎所有电子设备的测试应用程序

在探讨定义SMU技术因素之前，精确定义SMU是什么(不是什么)会很有帮助。本质上讲，SMU是快速响应、能够回读电压和电流的源，具有高精度测量的能力，紧密地集成在单封闭机箱内。它们设计用于线路和设备评估，必须在测试设备上(DUT)施加一个直流信号，并且需要对被测信号做出响应。SMU具有四象限运行(图1)的能力，作为正负直流电源或吸收(负载)。它们还提供高度可重复的测量，通常具有5½-或6½-的数字分辨率。 SMU通常对用于确定被测设备I-V特性的电流和电压进行扫描。由于这些优势，SMU已被广泛地应用在工业领域，并且是许多自动化测试系统的通用部件。

图1 四象限SMU设计

有些主张与此相反，认为传统仪器在测试与测量行业仍然是一个重要的、逐渐增多的部件。虽然特定的通信接口(GPIB，RS - 232等)可能会随着时间的推移而过时，但是在系统中单独使用或与其它SMU集成使用的基于仪器的SMU，通常为宽范围需求的应用提供最快、最准确、最灵活的解决方案。“部件”SMU往往牺牲他们的性能以提供一个特定的外形因子。

最宽的可用功率和信号范围

针对多类型装置的测试，期望测试设备具有工作在宽范围信号等级的能力。例如，功率MOSFET导通时的电阻非常低，通过极大的电流，但是关断时的电阻非常高，并允许流过几乎为零的电流。MOSFET处于开通状态时，电流高达几十安培，关断时电流可能小于纳安培。功率二极管和高亮度发光二极管具有相似的动态范围要求，其全部特性也相似。对于这类器件，当施加的正向偏置电压低于阈值电压时，流过器件的电流非常低。当电压从0V至阈值电压扫描时，器件的电流从亚纳安范围上升到毫安级。当偏置电压达到并超过阈值电压时，测试电流快速增加，达到几十甚至几百安培，这个电流值取决于设备。期望测试设备能在宽范围内具有精确测量的能力，这样可以减少所需测试设备的数量，从而降低系统的复杂性和成本。

图2 吉时利SMU和竞争对手的动态范围比较

吉时利数字源表®仪器结合了大部分单一仪器最宽范围信号的最大能力。型号2651A高功率源表可提供高达200W的直流电源和2000W的脉冲功率。它可以测量高达50A的电流，具有最大分辨率为1pA的测量能力。型号2636A动态范围上领先于行业，具有测量10A降至1fA信号的能力，提供160位电流分辨率。

一些基于SMU仪器的竞争对手宣称，型号2636A双通道系统源表仪器具有相同的动态覆盖范围，测量10A降至10fA的信号。然而，当比较每一个SMU(图2)测量范围时，很明显型号2636A在电流幅值上比竞争产品低两个数量级。这意味着型号2636A不是必须依赖其测量范围的最低有效位和最低精度位来实现真正的宽动态范围。对于仪器用户，在低电流测量的准确度方面提供了更大的信心。

部件SMU的供应商也宣称他们的宽范围覆盖性。然而，这些外形因子限制了他们的动态范围，使其比基于SMU的Keithley仪器小几十倍。在高端范围，他们受限于设备能够提供多大的功率，大多数部件SMU最大输出100mA的电流。在低端范围，对于各种实际的低压测量，所有设计在较小空间、具有不充分屏蔽的线路的电磁干扰会产生过多的电噪声。结果就是通常看不到部件SMU的任何电流低于10微安。

最快的模数转换器

测试设备制造商总是尽力推动从SMU每秒读出更多的读数。SMU的数字引擎得到升级，通信信道的带宽增加，但最终提高速度最有效的方法就是降低测量本身的时间。由于卓越的抗噪能力，大多数SMU使用积分模数转换器(ADC)来进行测量，并可以更好的获得精确的高分辨率结果。然而，从积分ADC得到的测量的质量直接与时间相关，因为它被迫运行的很快，因此测量的质量被降低。

通过将输入信号的值转换为输入电压电平给电容充电的时间和反极性参考电压给电容放电的时间之间的关系，那么积分ADC能够产生杰出的测量结果。对于一个标准双斜率积分ADC，这种关系表示为Vin = VREF(td / tc)，其中Vin是被测信号，Vref是参考电压，td是电容放电时间，tc是电容充电的时间。通过对电容充电一段时间，输入信号的噪声尖峰经过平均后输出，因此在测量中最大程度地减少了噪声，提高了精度。对充放电周期中固定速率时钟的时钟周期进行计数，以此来测量电容进行充放电的时间。假定tc和td为时钟周期数，由这个方程可以看出，精度是由电容充电(tc)的时间所提供的。当允许流过更长时间时，tc计数变得更大，它提高了参考电压(Vref)被拆分的步长数。简单地说，tc计数变长，测量的分辨率将会增加。

从这个等式可以看到仪器制造商可控制的变量是充电时间(tc)。为了加快测量，有必要允许积分ADC具有更少的充电时间，但是这样做会降低测量的分辨率。吉时利数字源表仪器使用积分ADC，但是为了应对速度提升带来的分辨率的损失，他们引入了具有增强型多斜坡降低方法的积分ADC来替代更多的传统的双斜率方法。增强型多斜率下降积分ADC采用了多种创新技术以加快放电时间，允许在不降低充电时间的前提下提高速度，这样就保证了最终的测量分辨率。这种类型的积分ADC如何工作已超出本文的范围，但可在其它地方找到完整的描述。使用多斜率下降方法的创新技术允许吉时利使用积分型ADC的 SMU得到业界最快的高分辨率读数。

吉时利2600A系列数字源表仪器使用增强型多斜率下降积分型ADC，具有每秒读取20000个读数的能力。然而，对于需要更快测量的应用，积分ADC损失了分辨率和精度，因此必须使用不同类型的ADC。

吉时利型号2651A高功率源表仪器包含一个积分ADC和18位高速数字化ADC，具有每秒读出高达百万个读数的能力。使用此高速ADC，2651A具有市面上所有SMU中最高的读出速率，同时仍保持高的测量分辨率。

图3：型号2651A的18位高速数字化ADC捕获300微秒50A的脉冲

图3解释了型号2651A高数字化ADC的能力。此ADC使用400个采样和一微秒的时间间隔，使得它可以完整捕获全部300微秒50A的脉冲。有了这样的功能，型号2651A不需要额外的测试设备，也可以准确地捕捉设备的瞬态及热效应。

多通道的可扩展性

无论单个SMU可能的速度有多快，当集成到系统中性能降低的话，它的优点也被浪费。部件SMU本质上较少受这个问题的影响，这要归功于他们的高速及通过PCI或PCIe背板(133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1)连接到主机系统的低延迟。相反地，基于仪器的SMU是通过外部总线如GPIB和主机系统进行通信，GPIB的速度只是背板速度(1.8MB / s标准)的一小部分。吉时利的工程师在设计2600A系列源表仪器时意识到了这点，并通过使用测试脚本处理器(TSP®)使其脱离主机系统自主运作，并通过称为TPS-Link®的技术的高速、低延迟总线进行相互通信和同步。

传统的基于仪器源测量单元(SMU)要求每次从主机的一条总线传送一个命令，因为所有仪表共用一条总线，每次只能供一个仪表使用和通信。由于总线速度缓慢，大部分时间用于在总线和仪表之间发送指令和数据，而其他仪表经常闲置。TSP技术允许仪器自主运行主机系统的测试脚本，几乎省去了传输指令的时间。一旦脚本装入基于TSP的源测量仪表，就可以执行整个测试序列，主机只需要传送一个命令：指示仪器运行脚本。

图4：TSP-Link网络实例，含3个源数据仪表

TSP-Link省去了连接多个源数据仪表的需求，只需一条带宽有限的GPIB总线就可以满足需求。有了TSP-Link技术，只需将一个源数据仪表与GPIB总线相连，其他源数据仪表则与“菊花链”配置(通过便宜的CAT5e交叉线连接)相连。首先，通过TSP-Link技术将其他源数据仪表连接，这些仪表的源测量单元(SMU)以第一个源数据仪表的额外源测量单元(SMU)通道形式出现，通过在第一个源数据仪表上运行脚本就可以快速访问。

与组件源测量单元(SMU)不同，利用TSP-Link技术实现的通道扩展不限于主机的少数插槽。TSP-Link技术的无主机扩展最多允许连接32个仪表，有可能创建一个包含64个源测量单元(SMU)通道的系统。此外，由于源测量单元(SMU)是基于仪表的，可用电源数量不限于底板提供的电源。即使在基于大功率组件源测量单元(SMU)系统中，某些型号也只能提供最大84W的电源。通过接口TSP-Link可以连接32个2651A型大功率源数据仪表，这样创建的系统就可以提供6.4kW直流电源。

TSP-Link技术提供了一流的系统扩展方法，不需要昂贵的GPIB适配器和线缆，而且通过大量减少仪表与主机之间通信数量，可以提高系统吞吐量。不过，TSP-Link技术的真实功率在于其同步运行多个测试提高吞吐量的能力。除了源测量单元(SMU)，无论