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此篇技術文件將簡略討論 NI PXI-4132 Precision SMU 的架構，說明此款產品的功能與使用方法。若要進一步了解產品規格與報價資訊，可至 NI PXI-4132 頁面。
Table of Contents
NI 的精確電源供應器
NI PXI-4132 為 NI 目前最高敏感度的精確 DC 供應器。若與 NI PXI-4110 可程式化電源供應器還有 NI PXI-4130 Power SMU 相較，PXI-4132 更強化了電壓範圍與敏感度，可提升電流量測的解析度與精確度，更可進一步整合硬體排序/觸發功能。
表 1. NI 精確 DC 電源比較
>> 另請參閱：何謂電源量測單位 (SMU)？
就輸出功能而言，PXI-4132 具備 1 個隔離式 SMU 通道，可達 4 象限的 ±100 V 輸出，並整合遠端 (4 線式) 感測與外接防護功能。如表 1 所示，此通道可供應並吸出最高 2 W，在最高 20 mA 可達 100 V；50 mA 可達 40 V；100 mA 可達 20 V (參閱圖 1)。
圖 1. NI PXI-4132 Precision SMU 輸出功能
PXI-4132 Precision SMU 的類比架構
NI PXI-4132 可依恆壓 (Constant voltage) 或恆流 (Constant current) 模式進行作業，而在此雙控制迴路中，電壓與電流可於功率放大器階段同時通過迴路。在恆壓模式中，PXI-4132 可供應精確電壓，且不論負載為何，通過輸出端點的電壓將穩定保持為程式化電流限制的最大值。在恆流模式中，PXI-4132 可供應精確電流，且不論輸出電壓為何，通過負載的電流將穩定保持為程式化電壓限制的最大值。
圖 2. 簡化後的程式圖 -- PXI-4132 Precision SMU 類比人機介面
PXI-4132 的量測電路可於輸出端點同步讀取電壓與電流值。這些量測作業是由 2 組同步化的 Sigma-delta 類比數位轉換器 (ADC) 所執行。並可使用 PXI-4132 所內建的自動歸零 (Auto Zero) 功能提升量測作業品質。此外，當啟動遠端感測功能時 (僅限恆壓模式)，亦可使用 Sense 端點，以補償由連接線與切換器所造成的電流電阻耗損壓降 (Current-resistance loss drop)。
PXI-4132 的輸出接頭亦具備防護 (Guard) 端點。使用者可透過 Guard 端點，於接線與測試設備中建置防護功能。因此，該輸出接頭適於進行洩漏 (Leakage) 測試與其他精確的電流量測作業。可參閱「NI PXI-4132 洩漏 (Leakage) 測試」線上教學，以進一步了解洩漏測試、低電流量測、防護，與切換器的相關資訊。
最佳化量測速度與解析度
PXI-4132 內建的 ADC 可進行電壓與電流取樣。PXI-4132 量測電路可於 3 種啟動狀態下進行作業：
- 訊號轉換 -- 在訊號轉換期間，PXI-4132 可針對裝置的程式化孔徑時間 (Aperture time)，進行輸入訊號的取樣。
- 零轉換 (Zero conversion) -- 當啟動自動歸零 (Auto zero) 時，PXI-4132 可針對未連接的訊號進行取樣，並將該訊號用以補償內部偏移 (Offset)。零轉換與訊號轉換具有相同的孔徑 (Aperture)。
- 趨穩時間 (Settling time) -- 在趨穩時間中，裝置的類比電路將於下 1 個量測狀態發生前開始趨穩。
圖 3 表示單一取樣量測中的狀態順序。
圖 3. PXI-4132 Precision SMU 量測週期
使用者可設定 PXI-4132 上的量測選項，如孔徑時間與自動歸零，以達到所需的速度或精確度。此款精確 SMU 可支援離散的孔徑時間，而此孔徑時間又以裝置所設定的電源線頻率 (Power line frequency) 為基礎。使用者可設定可程式化的孔徑時間，讓應用達到最佳的量測速度與品質。圖 4 為常見的量測雜訊，可於任何已知範圍內，做為孔徑時間的函式。以 1 個電源線週期 (Pwer line cycle，PLC) 為例，電流量測具有約 1 ppm 的敏感度，亦即在 10 μA 的範圍中可達 10 pA 敏感度。PXI-4132 即針對多樣的量測速率 (即為 PLC 設定)，為達到最佳的敏感度而設計。若以 10 μA 的電流量測範圍為例，在每秒最多 1,000 個讀數的條件下，往往可達到 100 pA 的敏感度。
圖 4. NI PXI-4132 Precision SMU 量測雜訊做為電源線週期數量 (Number of power line cycle，NPLC) 的函式
表 2 則列出 PXI-4132 的有效可設定孔徑時間，還有以電流範圍設定為基礎的無雜訊電流量測解析度。請注意，根據趨穩時間屬性數值的不同，表格所列的實際電源量測速率亦將產生些許差異。
|
PLC |
最高電源量測速率 |
一般無雜訊解析度 (RMS) |
|||||
|
P = 60 Hz |
P = 50 Hz |
10 µA 範圍 |
100 µA 範圍 |
1 mA 範圍 |
10 mA 範圍 |
100 mA 範圍 |
|
| 8 |
7.5 Hz |
6.25 Hz |
9.2 pA |
77 pA |
0.95 nA |
9.4 nA |
89 nA |
| 4 |
15 Hz |
12.5 Hz |
9.5 pA |
97 pA |
0.99 nA |
9.1 nA |
100 nA |
| 2 |
30 Hz |
25 Hz |
13 pA |
110 pA |
1.1 nA |
12 nA |
120 nA |
| 1 (預設) |
60 Hz |
50 Hz |
16 pA |
140 pA |
1.3 nA |
14 nA |
140 nA |
| 1/2 |
120 Hz |
100 Hz |
18 pA |
170 pA |
1.7 nA |
16 nA |
180 nA |
| 1/4 |
240 Hz |
200 Hz |
24 pA |
220 pA |
2.1 nA |
21 nA |
230 nA |
| 1/8 |
480 Hz |
400 Hz |
34 pA |
300 pA |
2.9 nA |
30 nA |
310 nA |
| 1/16 |
960 Hz |
800 Hz |
46 pA |
410 pA |
4.1 nA |
41 nA |
430 nA |
| 1/32 |
1925 Hz |
1600 Hz |
66 pA |
570 pA |
5.7 nA |
57 nA |
600 nA |
| 1/64 |
3850 Hz |
3200 Hz |
200 pA |
2000 pA |
19 nA |
190 nA |
2000 nA |
表 2. NI PXI-4132 Precision SMU 的有效孔徑時間與常見解析度
量測速度的暫態效應
除了為特定應用選擇正確的孔徑時間，以達到所需的速度與精確度之外，更必須考量趨穩時間 (Settling time) 與暫態響應對量測精確度的影響。
趨穩時間 (Settling time) 為輸出通道達到穩定作業模式所需的時間。PXI-4132 的正常趨穩時間為 300 µS，以 1 V 步進與電流範圍設定的 50% 負載為基礎，可趨穩達電壓輸出的 0.1% 以內。除了特定負載電流的趨穩時間之外，輸出的步進響應 (Step response) 亦可了解不同負載之下的輸出速度。圖 5 則顯示 PXI-4132 在 10 µA、100 µA，與 1 mA 範圍的步進響應。
圖 5. PXI-4132 Precision SMU 針對 10 µA、100 µA，與 1 mA 範圍的常見步進響應
如圖 5 所示，PXI-4132 具備可程式化的孔徑時間，讓使用者可於現有應用中設定所需的輸出精確度。對高速的生產測試環境來說，僅 1% 的輸出趨穩百分比可能差異不大；但對特性描述 (Characterization) 的應用而言，即便是 0.1% 的趨穩百分比都必須特別講究。
可程式化的硬體控制
透過 NI-DCPower 軟體測試面板，即可針對 SMU 作業迅速進行除錯。若要快速進行程式設計，則可於 NI LabVIEW 圖形化開發環境中使用 DCPower Express VI，以組態架構的方式控制 NI SMU。而針對 SMU 硬體的初階控制作業，則 IVI 相容的 NI-DCPower 儀器驅動程式將提供完整的 API，以妥善發揮硬體的所有功能。NI-DCPower 亦提供預先撰寫的範例程式，可呈現簡單設定到進階掃頻與監控的相關概念。
圖 6. NI-DCPower 軟體人機介面顯示 PXI-4110 可程式化電源供應器上的 3 個輸出
新款 PXI-4132 具備高速序列引擎 (Sequence engine)，可同步化多組 NI-4132 SMU，或同步化單一 PXI-4132 與其他儀器 (如切換器與高速數位裝置)。如圖 7 所示，使用者可透過 PXI 背板以傳送並接收事件/觸發，藉以簡化程式設計與系統接線作業。透過此項功能，即可針對高速的電流電壓特性描述 (I-V characterization)，輕鬆執行精確的電流與電壓掃頻作業。PXI-4132 序列引擎將可透過裝置的供電功能進行精確控制，讓使用者達到高速且精確的時序作業。此外，序列功能亦可搭配使用裝置的量測功能，以進行特定的量測時序作業。
圖 7. 可於 PXI-4132 Precision SMU 上執行觸發式電壓掃頻的 LabVIEW 程式設計流程
系統所依序執行的設定點 (Setpoint) 統稱為序列 (sequence)。而設定點 (setpoint) 為裝置的單一輸出設定。當執行序列時，使用者可連續套用輸出值 (1 個設定點具有其對應的供電延遲，且立刻由下 1 個設定點進行處理)；或是可透過觸發器，於確切的時間設定輸出。
圖 8. PXI-4132 Precision SMU 序列引擎圖
亦有多個執行序列的方式 (於執行期間的多個點上進行引擎的同步化)，或更多進階設定。因此，PXI-4132 的時序與觸發電路，可精確控制供電與量測作業，並同步化其他裝置。
如高速離散元件測試與電晶體測試的應用，將可透過此序列引擎獲得相對優勢。若要針對高速自動化測試，進一步了解此序列引擎的細節與應用範例，可參閱「NI PXI-4132 高速 LED 特性描述」線上教學。
結論
透過最低 10 pA 量測解析度與整合式的防護功能，PXI-4132 極適用於積體電路 (IC)、離散式元件、PCB，與連接線的高精確度洩漏 (Leakage) 量測。亦可使用快取 (On-board) 硬體序列引擎，於多款元件上執行高速的電流電壓 (I-V) 量測，包含二極體與有機 (Organic) LED。此外，可透過 PXI 背板以同步化多組 PXI-4132 SMU，於電晶體與更複雜的裝置上進行高速 I-V 量測作業。針對平行的測試應用，則可於單一 PXI 機箱中使用最多 17 個 PXI-4132 模組，僅需 19 吋 4U 空間即可達到 17 個高精確度的 SMU 通道。
資源
Legal
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