針對設備選用具有適當電壓電流範圍的源測量單元(SMU)對於應用的成功至關重要。IV範圍通常由圖1中象限圖來表示，它指的是SMU可以拉或灌的電壓和電流值。拉和灌這兩個詞描述的是設備的功率流入和流出。拉電流的設備可為負載提供電流，而灌電流的設備就像一個負載，被動吸收流入的電流，且可為電流提供返迴路徑。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/333309.htm圖 1.四個象限區域表示設備拉灌的電流或電壓值
在上面的象限圖中，I和III象限代表設備處於拉電流狀態，而象限II和IV代表設備處於灌電流狀態。在象限I和III內均能夠拉電流的設備有時也稱其具有兩極性，因為這些設備能夠既能產生正電壓和電流，也能產生負電壓和電流。「四象限SMU」這個詞通常用語描述可拉灌電流的雙極SMU。
例如，NI PXI-4132四象限SMU的最大電壓輸出是100 V，最大電流輸出是100 mA；但是，它不能同時輸出100 V的電壓和100 mA的電流。在這種情況下，象限圖就提供了所需的信息，幫助您輕鬆地確定SMU可以提供或灌入的最大電壓和電流組合。僅僅是簡單地列出具有多個量程的SMU的最大電壓和電流並無法為您提供足夠的信息來確定該儀器是否符合設備的IV要求。
圖 2.NI PXI-4132 IV 範圍
表1 歸納了每種NI電源和SMU設備每個通道的輸入輸出能力。
DeviceChannel(s)QuadrantIIIIIIIVNI PXI-411006 W———120 W———2——20 W—NI PXIe-41120 and 160 W———NI PXIe-41130 and 160 W———NI PXI-413006 W———140 W10 W140 W10 W1NI PXI-413202 W2 W2 W2 WNI PXI-4138/4139020 W12 W120 W12 W1NI PXIe-4140/41410 through 31 W1 W1 W1 WNI PXIe-4142/41430 through 33.6 W3.6 W13.6 W3.6 W1NI PXIe-4144/41450 through 33 W3 W13 W3 W1NI PXIe-4154018 W1——18 W112 W1——0.8 W11查看設備的規格參數，了解詳細IV範圍。表1. NI儀器產品每個通道的輸入輸出能力
2. 精確度電源或SMU的測量解析度是指電壓或電流測量中硬體可以檢測到的最小變化。電源或SMU輸出通道的輸出解析度是指輸出電壓或電流電平的最小可能變化。這些測量通常以絕對單位表示，比如nV 或pA。解析度通常是由測量所使用的模數轉換器(ADC)決定，但高精度SMU通常受限於噪聲等其他因素。
靈敏度是指儀器在規定的條件下能夠檢測到且有意義的給定參數的最小單位。這個單位通常等於電源或SMU最小量程內的測量解析度。
一般情況下，應該使用SMU的最小量程才能獲得最佳精度。該信息可在儀器的規範手冊中找到。以下是一個例子：
表 2.NI PXIe-4139電流編程和測量精確度/解析度
3. 源測量準確度電源或SMU的測量或輸出電平與實際或要求的值可能會有所不同。準確度表示的是一定測量或輸出電平下的不確定度，也可以指與理想傳遞函數的偏差，如下所示：
y=mx+b
其中m是指系統的理想增益
x是指系統的輸入
b是指系統的偏置
y 是系統的輸出
該公式用於電源或SMU信號測量時，y是指設備的輸出讀數值，其中x作為輸入，b為偏置誤差，可在測量之前將其歸零。如果m為 1，b為0, 則輸出測量值等於輸入值。如果m為 1.0001,則測量結果與理想值的偏差是0.01%。
對於大多數高解析度、高準確度電源與SMU，準確度是指偏置誤差和增益誤差的組合。這兩種誤差相加可用於確定特定測量的總體準確度。 NI電源與SMU通常以絕對單位（例如mV或μA）來表示偏置誤差，而增益誤差通常是讀數或請求值的百分比。
SMU的典型源測量準確度等於或低於所設定輸出的0.1％。每個NI SMU儀器的規範手冊中均有提供這些信息。
表 3.NI PXIe-4139的電壓編程和測量準確度/解析度
4. 測量速度測量採集窗口或孔徑時間會直接影響測量速度和精確度。某些SMU可修改儀器的孔徑時間，使您能夠靈活地擴展高精確度測量的採集窗口，或者減小高速採集的窗口。擴展測量孔徑可讓儀器有更多的時間進行採樣和平均，從而降低測量噪聲和提高解析度。下圖顯示了在不同的電流範圍下測量噪聲與孔徑時間之間的函數關係。
圖 3.測量噪聲與孔徑時間的函數關係圖
為了實現高精確度測量，使用的孔徑時間必須既能夠提供適當解析度，同時仍可最大限度地減少整體測試時間。相反，對於精確度較低的測量或者對線路或負載瞬態等信號進行數位化時，應該使用較小的孔徑時間。例如，NI PXIe-4139能夠以高達1.8 MS / s的速率採樣，可幫助您詳細研究SMU輸出的瞬態特性。取決於電流範圍，當噪聲為1 nA – 10mA時測量速度可達到1.8 MS / s。
5. 源更新率SMU的更新速決定了SMU輸出電壓或的電流的變化速率。例如，更新率為100 kS / s的SMU能夠每隔10 us為下一個點提供電流。更新速率快的SMU能夠以比傳統SMU快得多的速度執行冗長的IV掃描。此外，更新速率快的SMU還可為正弦波等非傳統序列提供電流。
圖 4.通過改變源延遲或者電壓階躍開始和測量開始之間的時間差來控制SMU的更新率。
6. 瞬態響應瞬態響應是指電源對於電壓或電流突變的響應，電壓或電流突變通常是由於負載變化等外部事件或者輸出電壓階躍等內部事件引起的。
外部負載變化外部負載電流的變化會引起電壓急劇變化，使電壓短暫地低於預期電壓輸出。瞬態響應是指負載電流發生變化(ΔI)時電源電壓恢復到一定電壓值(ΔV)所需的時間。快速瞬態響應對於行動裝置的供電至關重要。待測設備(DUT)消耗的負載電流如果發生較大的瞬時變化，會導致輸出電壓驟降，隨後通過電源的控制電路將輸出電壓恢復到其原始值。對於典型的可編程電源，這往往需要數百微秒的時間。而NI PXIe-4154的20µs瞬態響應（設置為「快速」模式時）能夠使模擬電路在測試過程中迅速響應負載電流的變化。如此短的恢復時間成為許多採用脈衝式通信協議的無線通信設備的最佳選擇。
圖 5.瞬態響應的典型定義圖
改變SMU輸出當SMU輸出改變時，該儀器的瞬態設置定義了輸出的上升時間以及達到預期輸出並處於穩定狀態所需的時間。理想的瞬態響應具有快速上升時間，且沒有任何過衝或振蕩。在許多負載下，需要在瞬態響應和電源穩定性之間進行權衡。如果要獲得最快瞬態響應，設備應具有高增益帶寬積(GBW)，但增益帶寬積越高，設備在特定負載下變不穩定的可能性越高。因此，大多數設備在許多情況下以犧牲性能為代價來獲得穩定性。其他設備可在很小程度上實現自定義，以在不同情況下優化性能。例如，許多傳統SMU具有「高容量」模式，專用於與具有高達50 uF電容的設備一起使用的情況。
某些NI SMU採用了稱為NI SourceAdapt的數字控制迴路技術，該技術使您能夠自定義調整SMU的瞬態響應，從而獲得針對任何給定負載的最佳響應。這提供了最佳源測量單元響應，同時也可實現最短的穩定時間，從而縮短了等待時間和測試時間。此外，該技術不僅消除了過壓，保護了待測設備(DUT)，而且也消除了振蕩，確保了系統的穩定性。由於源測量單元響應的調整是通過編程軟體來完成的，您可以輕鬆地將針對高速測試的源測量單元重新配置為針對高穩定性測試的單元—這樣可以最大化您的測試設備投資回報，以及獲得更好的測試結果。
圖 6.TheNI PXIe-4139具有可配置的瞬態響應設置，以靈活地對輸出控制迴路進行負載補償。
以下表格列出了採用NI SourceAdapt技術的NI SMU型號：
產品名稱e
類型
採用SourceAdapt
NI PXI-4130
大功率 SMU
無
NI PXI-4132
高精度 SMU
無
NI PXIe-4138/9
高精度系統 SMU
僅 NI PXIe-4139
NI PXIe-4140/1
4通道 SMU
僅 NI PXIe-4141
NI PXIe-4142/3
4通道 SMU
僅 NI PXIe-4143
NI PXIe-4144/5
4通道 SMU
僅 NI PXIe-4145
表 4.快速查看採用NI SourceAdapt技術的NI產品。
7. 序列或掃頻SMU通常有兩種輸出模式：單點或序列。在單點模式下，SMU僅輸出一個值，而在序列模式下，SMU輸出一系列值，並測量每個點的IV數據。
單點源模式單點模式通常是用於捕獲某個值的IV數據，比如測試二極體的正向電壓，或者使用SMU為待測設備供電（如以恆定電壓為集成電路供電）。單點模式的用例包括開發軟體定時的序列，在軟體中循環運行一系列單點SMU輸出。當SMU在沒有事先計劃的情況下不支持更改特定功能時，軟體定時的序列可以用於代替硬體定時的序列。
序列模式SMU在序列模式下運行時可輸出一系列硬體定時的值，提供了更快速且更確定的輸出（以及與其他PXI儀器同步）等優勢。這一過程包括SMU提供直流電壓或電流，然後測量電壓和電流，接著再循環至序列中下一個點。取決於SMU功能，您可以更改序列中每一步的輸出電平、電流或電壓範圍、孔徑時間以及瞬態響應。對於存儲大量序列，SMU提供了兩種方法：專用的板載內存和支持從主機到SMU低延遲數據流傳輸。例如，NI PXIe-4138和NI PXIe-4139PC通過一個高帶寬低延遲PCI Express連接將數據從主機傳輸到SMU，並可讓您透明地輸出具有數百萬個設定值和屬性的序列。
序列模式通常用於IV特性記述或老化測試，而且對於那些需要與其他儀器緊密同步的應用（如測試射頻集成電路）通常是必不可少的。
8. 脈衝生成大多數使用SMU的半導體測試應用均涉及某種形式的源測量操作。在序列模式下，該過程通常包括SMU提供直流電壓或電流，然後測量電壓和電流，接著再循環至序列中下一個點。基本的直流掃描會以遞增方式逐漸增加輸出，直至完成序列的每個點，如下圖所示，該圖顯示了一個五步電流值序列。
圖 7.基本直流掃描時的五步序列示例
某些應用中，特別是高功率應用中，如果沒有關閉SMU輸出就試圖掃描序列，可能會導致不正確的行為或複雜的測試設置。對於這些應用，SMU的脈衝輸出是首選，因為該輸出可讓您在不同的設定點進行源測量，同時最大限度地減少通過DUT的散熱損失。脈衝掃頻與直流掃描的相似之處在於兩者均包含輸出設定值、等待輸出穩定然後進行測量等過程。脈衝測試的不同之處在於，源在經過很短的脈衝持續時間後恢復到偏置電平。在大多數情況下，設定偏置電平的目的是為了關閉DUT（例如0V或0A）。
圖 8.脈衝輸出可讓源在轉到下一個設定值之前恢復至偏置電平。
在理想條件下，前面兩個圖中的脈衝序列和直流序列應該返回至相同的IV數據。然而，如前面提到的，直流序列通過DUT消耗的熱量更多，這會導致不正常的行為和較不理想的測試結果。這也是這些類型的應用優先選擇脈衝測試的原因。在脈衝模式下進行測試時，脈衝寬度應該足夠長，使得設備能夠達到全導通狀態以進行穩定的測量，同時脈衝寬度又必須足夠短，以最小化待測設備的自熱效應。在生成脈衝時，快速乾淨的SMU響應顯得尤為重要，這是因為SMU總是從脈衝偏置電平開始，而不是以小幅增量逐漸增大輸出。
特定的SMU可讓您生成超出傳統直流電源範圍的脈衝，以滿足需要更高電流的應用。例如，NI PXIe-4139可在50 V電壓下生成高達10 A的脈衝，提供高達500 W的瞬時功率。取決於負載和SourceAdapt控制設置，脈衝寬度可以短至50微秒。短脈衝寬度不僅縮短了測試執行時間，而且還可最大程度降低待測設備的散熱，便於測試工程師進行測試，否則可能需要增加散熱器或其它熱控制機制。
圖 9.NI PXIe-4139 IV 範圍
9. 通道密度模塊化SMU的一個主要優點是緊湊的尺寸。傳統SMU配有專門的顯示器、處理器、電源、風扇、旋鈕以及其它冗餘組件，使得構建高通道數系統的過程複雜化。由於模塊化SMU與機箱和控制器共享組件，從而減少了冗餘組件，佔用空間比傳統儀器要小得多，最終減小了測試系統的體積和功耗。
應用所需的通道數會隨著時間而變化。傳統箱式SMU的一兩個通道已經無法滿足許多應用的需要。半導體行業的並行IV測試系統更是如此，該測試需要在緊湊的空間中使用大量的SMU通道。藉助NI模塊化SMU，您可以將多臺儀器組合在單個PXI機箱中，在19寸4U的機架空間內創建多達68個SMU通道的高通道數解決方案，傳統SMU僅可提供四到八個通道。 PXI平臺的緊湊尺寸和模塊化特性還使您能夠將SMU與其他基於PXI的儀器（如示波器、開關和射頻儀器）相結合，以建立高性能混合信號測試系統。
圖 10.使用高密度NI SMU在單個4U機架內構建高達68個SMU通道的系統。
10. 定時和同步觸發是啟動設備操作的一種信號。事件是指設備發出的信號，用於指示某個操作已完成或某個狀態已達到。您可使用觸發和事件同步單個NI電源或SMU中的多個操作或者同步與其他PXI/ PXI Express設備的操作。許多應用涉及多種儀器，如示波器、信號發生器、數字波形分析儀、數字波形發生器和開關。對於這些應用，PXI和NI模塊化儀器的固有定時和同步功能使您無需使用外部電纜即可同步所有這些儀器。
使用該觸發功能時，您可從以下觸發類型中進行選擇：
開始：源單元測量單元接收到該觸發後，開始執行操作。源：設備接收到該觸發後，源單元開始修改源配置。測量：測量單元接收到該觸發開始進行測量。而測量單元進行測量時，該觸發被忽略。序列前進：完成一次序列迭代後，源單元等待接收到該觸發後才開始下一次迭代。脈衝：源單元等待接收到該觸發後，開始從「脈衝偏置」轉換至「脈衝電平」。PXI平臺針對觸發進行優化的一個例子是NI PXIe-4138/4139模塊。模塊通過PXI機箱背板來發送和接收觸發和事件，從而簡化了編程和系統布線。這些模塊還可以實現硬體定時，同時具有高速序列引擎來同步多個SMU之間的握手。
圖 11.用於觸發和定時的序列引擎圖
NI PXIe-4138與NI PXIe-4139模塊還利用了PXI的高帶寬和低延遲優勢，而且支持主機和SMU之間的直接DMA數據流傳輸。這使您能夠以儀器的最高更新率(100 KS/s)和採樣率(1.8 MS/s)透明地傳輸大量的波形和測量數據，從而消除了傳統儀器總線的帶寬和延遲瓶頸。
11. 軟體、分析功能和自定義化為應用選擇模塊化SMU時確定軟體和分析功能是非常重要的，因為該因素可以幫助您在兩臺儀器之間做出選擇。
獨立式SMU通常採用基本的寄存器級命令以及供應商定義的功能，而模塊化SMU是用戶可定義的，可靈活地解決應用的需求。箱式SMU提供了許多標準功能，能夠滿足許多工程師的常見需求。不難想像，這些標準功能並不能解決所有的應用需求，特別是對於自動化測試應用。如果您需要定義示波器要進行的測量，則應選擇模塊化SMU，而不是具有固定功能的獨立式SMU，模塊化SMU可利用PC架構的優勢，同時也讓您根據需求對應用進行自定義。
NI SMU可使用免費的NI-DCPower驅動軟體來完全編程。NI-DCPower是一個兼容IVI的儀器驅動程序，隨附於NI電源或SMU中，並可與所有的NI可編程電源和SMU通信。NI-DCPower具有一系列操作和屬性，用於啟動電源或SMU的功能，且該軟體包含了一個交互式軟面板。
圖 12.結合模塊化SMU使用軟面板快速進行測量
除了軟面板，您還可使用NI LabVIEW、NI LabWindows™/ CVI、Visual Basic和.NET在NI-DCPower驅動軟體中編程模塊化SMU，以實現針對各種應用的常見和自定義測量。該驅動程序還可支持LabVIEW內基於配置的快速vi。
圖 13.使用LabVIEW軟體編程模塊化SMU
使用遙感進行的測量有時也稱為四線感應，需要四條線連接到待測設備（如果開關系統用於擴展通道數的化，還需要四線開關）。當輸出引線電壓顯著降低時，使用遙感能夠實現更精確的電壓輸出和測量。當遙感用於直流電流輸出功能時，電壓限制值是在感應引線端進行測量，而不是在輸出接線端。使用遙感測量DUT接線端的電壓比近端感應測量更準確。理想情況下，感測導線應儘可能靠近DUT接線端。
另一個要考慮的方面的是隔離(guarding)。隔離是為了消除高輸入(HI)和低輸出(LO)之間的漏電流和寄生電容的影響。隔離接線端由HI接線端電壓之後的單位增益緩衝器驅動。在使用隔離的典型測試系統中，Guard位於HI和LO接線端之間。通過這樣的連接， HI和Guard之間有壓降效為0 V，因此HI沒有任何電流洩露。Guard輸出和LO之間可能會有一些漏電流，但是，電流是由單位增益緩衝器提供，而不是HI，因此這並不影響SMU的輸出或測量。
舉個例子，NI PXIe-4138/4139的測量電路可以同時讀取輸出接線端（近端感應）或感應接線端（遙感）的電壓值和電流值。這些測量由始終保持同步的兩個集成ADC進行。
另外如圖10所示，NI PXIe-4138/4139的輸出接線器上具有Guard和Sense兩個接線端。您可以使用Guard接線端來實現電纜和測試夾具的隔離。如果啟用遙感時，可以使用Sense接線端，從而補償電纜和開關的電流-電阻損耗壓降。
圖 14.NI PXIe-4138/4139 的輸出接線器上具有Guard和Sense兩個接線端。
13. 下一步模塊化SMU能夠執行與傳統儀器相同甚至更好的測量，同時提供了一個平臺來支持具有測量和通道功能的現代技術，以滿足不斷變化的需求。然而，無論是購買傳統SMU還是模塊化SUM，上述討論的因素都非常重要。提前考慮應用需求、成本限制、性能和未來可擴展性可以幫助您選擇最能滿足您所有需求的儀器。