使用NI PXI源測量單元開發(fā)高通道數(shù)解決方案

NI為自動化測試和實驗室特性分析應(yīng)用提供了各種源測量單元（SMU）。 這些SMU兼具傳統(tǒng)臺式SMU的功能和測量性能，同時采用NI技術(shù)，使其更小巧、更快速且更靈活。 NI SMU小巧的組成結(jié)構(gòu)和模塊化特性使其成為并行IV測試系統(tǒng)重要儀器，可幫助您在19英寸4U機架空間內(nèi)開發(fā)高達68個通道的高通道數(shù)解決方案。 模塊化PXI平臺使您能夠通過PXI背板觸發(fā)這些源測量單元SMU，以同步與其他儀器的測量，包括高速數(shù)字I/O儀器、射頻分析儀、發(fā)生器、高速數(shù)字化儀。

1. 多樣的硬件選擇

NI提供了多種SMU組成結(jié)構(gòu)。 這些模塊滿足了從為通用自動化測試供電到對半導(dǎo)體設(shè)備執(zhí)行參數(shù)測試等各種測試和特性分析需求。 下表列出了NI的各款SMU。

系統(tǒng)SMU

SMU之所以可以得到廣泛的應(yīng)用是因為它將高功率、高精度、高速源測量功能集成到單個SMU通道上。 這些儀器提供了20W的連續(xù)直流電源和高達500W的瞬時脈沖功率。

高通道數(shù)SMU

對于高通道數(shù)低功率的應(yīng)用，NI PXIe-414x四通道SMU系列可以提供業(yè)界領(lǐng)先的通道密度（單個4U PXI機箱上最多可有68個通道）。 這些儀器由于具有可自定義的瞬態(tài)響應(yīng)、精度、密度而成為精密半導(dǎo)體應(yīng)用的理想選擇，比如MEMS系統(tǒng)測試、開短路檢測、為RF集成電路（RFIC）供電。

2. 通道密度

NI SMU在單個4U機架空間提供了高達68個SMU通道。

相對于傳統(tǒng)臺式SMU，NI SMU可提供更高的通道密度，如圖1所示，單個4U機架空間可提供17或68個SMU通道。NI SMU小巧的組成結(jié)構(gòu)使其成為創(chuàng)建高引腳數(shù)測試系統(tǒng)或緊密集成的混合信號測試系統(tǒng)的理想選擇。 例如，您可以僅使用NI PXIe-4139系統(tǒng)SMU來構(gòu)建高亮度LED所需的平行測試系統(tǒng)，也可將SMU與其他基于PXI的設(shè)備配合使用，在單個PXI機箱內(nèi)構(gòu)建集成式RF功率放大器測試系統(tǒng)。

圖1. 在單個18槽PXI機箱中結(jié)合了高達17個PXI SMU通道。

無論從密度和集成的角度來看，使用臺式儀器構(gòu)建高密度或混合信號測試系統(tǒng)要比使用模塊化平臺更具挑戰(zhàn)性。 傳統(tǒng)臺式儀器在4U機架空間提供了8個SMU通道，而NI SUM則在單個PXI機箱相同的空間內(nèi)提供了17個通道，其具有相似的功率范圍。 PXI平臺還通過在單個PXI機箱共享定時和同步簡化了多個SMU和其他儀器之間的集成。 集成式觸發(fā)路由與NI SMU的板載硬件序列引擎相結(jié)合，可幫助您輕松地在多個SMU或其他儀器之間共享事件和觸發(fā)，無需任何外部接線。

3. 高速源和測量功能

NI基于PXI Express的SMU提供了所需的靈活性來執(zhí)行高速和高精度直流測量，可改變測量的間隙時間。 短測量空隙時間讓您可將SMU用作為采樣率高達1.8 MS/s的數(shù)字化儀，而寬測量間隙時間則能夠讓您以高達10 fA的電流分辨率進行高精度測量。

精度

NI SMU能夠以高達10 fA的電流靈敏度執(zhí)行高精度測量。 高精度測量需要的間隙時間必須使SMU的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有足夠的時間來集成信號并應(yīng)用噪聲抑制濾波器。 SMU的空隙時間通常是指電源線周期數(shù)（NPLC），通常默認為使用1個NPLC來濾除電源線路引起的噪聲（60 Hz或50 Hz）。

NI SMU結(jié)合了高精度和高速測量

NI SMU在各種間隙時間下提供了低噪聲測量性能，即使高速運行時也是如此。 下圖對NI PXIe-4139 系統(tǒng)SMU和傳統(tǒng)臺式SMU之間的測量性能進行了比較，這兩個儀器都具有100 fA的電流靈敏度。 隨著間隙時間（NPLC）的增加，SMU可在較長的時間內(nèi)集成信號，并通過取平均值和濾波等技術(shù)降低噪聲。

圖2. 電流測量噪聲（A）為間隙時間的函數(shù)（NPLC）

這些數(shù)據(jù)列出了在不同間隙時間（0.001，0.01，0.1，1和2個NPLC）下兩個SMU的RMS電流噪聲，電流測量范圍均為1A。 這兩種儀器都以相同的時間間隔進行校準(zhǔn)，以維持相同的測試參數(shù)。 以下兩種情況下展示了NI SMU相比傳統(tǒng)臺式SMU的測量質(zhì)量和速度。

比較相同測量間隙時間下的噪聲性能

NI SMU在1 NPLC下的噪聲為0.1~0.2μA，而傳統(tǒng)臺式SMU的噪聲為10?20μA。 這意味著NI SMU在相同的速度下的噪聲減少了100倍，且在相同的電流范圍內(nèi)提供更好的測量精度。

比較相同電流噪聲的測量速度

使用傳統(tǒng)臺式SMU，您可能需要更寬的空隙時間來滿足測量的噪聲需求。 但是，NI SMU在0.005 NPLC的噪聲與傳統(tǒng)臺式SMU在1個完整NPLC的噪聲相同，這意味著在測量速度方面有了100倍的提升。 這使您能夠在維持同樣測量性能的同時，顯著降低整體測試時間。

高速采樣和數(shù)據(jù)流

NI SMU相比傳統(tǒng)臺式SMU有著更高的采樣率，因而SMU可用作高電壓或電流數(shù)字化儀。 此外，NI SMU提供了快速的更新率以及可自定義的SMU響應(yīng)，使您能夠非?？焖僦鹁湔{(diào)試序列或使用SMU來生成任意波形。 PC主機和SMU之間的直接DMA數(shù)據(jù)流避免了GPIB和以太網(wǎng)等傳統(tǒng)總線接口相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，并確保您可以以SMU的最大更新速率讀寫大型波形。 下表顯示了NI SMU與傳統(tǒng)臺式SMU的詳細比較。

NI SMU的數(shù)字化儀功能對于捕獲SMU響應(yīng)的詳細瞬態(tài)特性或分析線性和負載瞬態(tài)等待測設(shè)備的行為特性至關(guān)重要。 如果沒有這個功能，就需要一個外部示波器。

圖3. NI SMU提供了比傳統(tǒng)臺式SMU更高的采樣率。

上圖顯示了SMU生成了一個電流脈沖，并以20 kS/s和1.8 MS/s的速率采樣輸出數(shù)據(jù)。NI SMU 1.8 MS/s的采樣率可提供詳細的脈沖瞬態(tài)特性，并確保SMU響應(yīng)沒有任何過沖或振動。

4. 可自定義的瞬態(tài)響應(yīng) - NI SourceAdapt技術(shù)

SourceAdapt技術(shù)使您能夠優(yōu)化任意負載的SMU響應(yīng)，即使是高感性或高容性負載。 新一代SMU技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)字控制循環(huán)，而不是傳統(tǒng)模擬數(shù)字循環(huán)，這樣您可以完全自定義SMU的瞬態(tài)響應(yīng)。

傳統(tǒng)SMU的局限性

SMC采用閉環(huán)反饋控制來確保所設(shè)置的電源值（設(shè)定值）正確地施加到待測負載上。 傳統(tǒng)的SMU使用模擬硬件來實現(xiàn)控制循環(huán)，但是這種方式有得有失。 例如，專為高速測試而設(shè)計的高帶寬SMU通常不適合測試需要高穩(wěn)定性的高容性負載。 另一方面，針對高容性負載而設(shè)計的SMU并一定適用于高速測試。 事實上，大多數(shù)傳統(tǒng)源測量單元的設(shè)計都為了高速測試或高穩(wěn)定性測試。 即使如此，獲得最佳響應(yīng)仍然十分困難，因為設(shè)計出能夠為不同負載提供正確響應(yīng)的電路是極其困難的一件事。

SourceAdapt的優(yōu)勢

SourceAdapt技術(shù)可幫助您針對特定負載自定義調(diào)諧SMU響應(yīng)，從而從根本上解決這個問題。 這提供了最佳的SMU響應(yīng)和最低的建立時間，從而減少了等待時間和和測試時間，避免了過沖和振蕩，進而保護了DUT和確保了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 由于SMU響應(yīng)的調(diào)諧是通過編程完成的，因此針對高速測試配置的SMU可輕松針對高穩(wěn)定性測試進行重新配置——從而最大化測試設(shè)備的投資回報和獲得更好的結(jié)果。

圖4. SourceAdapt技術(shù)可實現(xiàn)自定義響應(yīng)，以獲得最大穩(wěn)定性和最小上升時間。

5. 軟件優(yōu)勢

是一個兼容IVI的儀器驅(qū)動，為、和 提供了一個軟件前面板、范例程序集和一個綜合API。 儀器軟件前面板是進行單點IV測量或為設(shè)備連續(xù)供電的理想之選。 內(nèi)置范例提供了現(xiàn)成的程序來生成一個或兩個SMU通道的輸出序列以及繪制響應(yīng)圖表。 這些范例程序演示了從簡單的源測量配置到高級半導(dǎo)體組件掃頻和IV特性分析等各種概念。 范例通常作為LabVIEW軟件中大型或高度自定義項目或者測試序列的構(gòu)建塊。

圖5. 使用改進的用戶界面分析晶體管特性的范例程序

NI SMU針對LabVIEW、LabWindows/CVI和Measurement Studio等編程環(huán)境進行了優(yōu)化。 開發(fā)和測試的緊密集成可確保NI SMU提供了比傳統(tǒng)第三方臺式儀器更出色的用戶體驗。 用戶可以通過一種編程語言來使用NI SMU的所有功能，而不是使用各種可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)指令（SCPI）、LabVIEW VI和/或腳本語言。 下表列出了NI SMU的部分軟件特性：

內(nèi)置測量選板

范例程序

集成了詳細的LabVIEW幫助文檔

全面的錯誤處理和消息

SMU到主機之間的透明數(shù)據(jù)流

6. 下一步

NI SMU提供了各種硬件選項和靈活軟件，專為解決各種實驗特性分析和自動化測試應(yīng)用需求而設(shè)計。 NI SMU在緊湊的外形結(jié)構(gòu)中提供了傳統(tǒng)臺式SMU的測量質(zhì)量，使您能夠在單個PXI機箱中構(gòu)建高達68個通道的高通道數(shù)系統(tǒng)。 SourceAdapt等技術(shù)可確保SMU針對純阻性到高容性等任意負載生成快速穩(wěn)定的響應(yīng)。