何謂電源量測單位 (SMU)？

一般情況下，所有的研究、設計、開發，與生產應用均需要可電源供應 (Sourcing) 電流的儀器，以連接開發中或測試中的裝置。這些應用亦必須監控由裝置所耗用的電壓與電流，以記述裝置行為或測試出合宜的作業。使用者往往透過單一可程式化的電源供應器即可達成上述需求，同時不僅可提供穩定的電壓或電流，亦可回讀 (Read back) 相關的電流或電壓。在這些應用中，以毫安培 (Milliamp) 為單位的電流量測即可符合需求。

而針對需要電源供應 (Sourcing) 與更精確量測的應用，則可使用微安培 (Microamp) 電流單位的可程式化電源供應器。舉例來說，常見電子裝置若發生微安培的電流消耗 (Current drawn)，均將縮短電池壽命因此，製造商通常在生產期間進行這些裝置的特性參數描述 (Characterize) 作業。針對這些情況，最好使用微安培單位的高精確度電源供應器。。

其他應用則需要更高精確度與更多功能。半導體檢驗與特性記述作業，則為毫微安 (Nanoamp) 電流敏感度的應用實例。此外，目前業界則需要更高精確度、更快的速度、遠端感測電壓，與 4 個象限的輸出功能；都凸顯出傳統可程式化電源供應器功能的不足。針對這些精確的低階電源供應 (Sourcing) 與量測需求，電源量測單位 (SMU) 則能提供極佳的效能。。

SMU 為精確的電源供應儀器，具有低於 1 mV 的電壓電源供應 (Sourcing) 與量測解析度，亦提供低於 1 µA 的電流電源供應 (Sourcing) 與量測解析度。除此之外，SMU 亦具有遠端感測功能與 4 個象限的輸出，可整合雙極性電壓 (Bipolar voltage) 並可進行電源吸入 (Sinking)。

SMU 並可執行電流與電壓掃頻 (Sweep)，用以決定裝置的 IV 特性。因此，SMU 可廣泛應用於產業中，並成為許多自動化測試系統的通用元件。若要了解 SMU 特定功能與相關應用的資訊，請繼續參閱下列章節。

精確度

SMU 與標準電源供應器之間，最顯著的差異特性即為精確度。此處的精確度則定義為重複性 (Repeatability) 或重現性 (Reproducibility)。當提到儀控的精確度時，則必須提到 2 個相關的重要功能：敏感度與精確度。

敏感度

敏感度為儀器所能夠量測 (或可電源供應) 到的最小可偵測變化。換句話說，敏感度為可於裝置輸出上設定的最小增額 (Increment)，或為於裝置輸入上偵測的最小增額。SMU 具有多個設定並讀取電壓與電流的範圍，可提供較標準電源更高的敏感度。舉例來說，NI PXI-4130 Power SMU 即具有 2 A ~ 200 µA 的 5 種電流範圍。

精確度

精確度為現有電源或量測的最大不確定性 (Uncertainty)。絕對精確度 (Absolute accuracy) 則為標準下的「真實」讀數。在設定電源供應 (Sourcing) 與量測輸出時，SMU 一般均具有等於或小於 0.1% 的精確度。舉例來說，PXI-4130 Power SMU 的 200 µA 範圍，即具有 0.03% 的精確度。

總括來說，SMU 的敏感度與精確度將完全決定其效能。然而某些應用主要偵測小型變動，其他應用則專注於供電值或所量測的反應。當供電的精確度與量測的值具有其重要性時，一般均將佈署 SMU；而重視敏感度的應用往往佈署常見的可程式化電源供應器。

遠端感測電壓

要能精確電源供應 (Sourcing) 或量測電壓的挑戰之一，即為導線電阻 (Lead resistance) 對在測裝置 (DUT) 所造成的影響。當摻雜使用較長長度的小型電線時，往往就會產生嚴重的導線電阻問題。雖然一般情況下的導電電阻不過僅數歐姆，但這些小型電阻卻能影響 DUT 所接收的電壓；特別當 DUT 的內部電阻為小型電阻時，情況更為嚴重。

圖 1 為常見電路的電路簡圖，包含電源供應儀器、導線，與 1 組 DUT。在此案例中，正導線與負倒限的導線電阻均設定為 1 Ω，並連接至 DUT 的電源。

圖 1. 一般可程式化電源供應器的連結簡圖

 

假設將電源設定為 5 V 輸出，而 DUT 具有 1 kΩ 的阻抗，則可使用下列方程式計算 DUT 終端的實際電壓：

此基礎案例所見的實際電壓僅為 4.99 V。對某些裝置來說，此微小的變化並不會構成問題，然而對根據作業電壓而需要精確特性參數描述測試的應用來說，此項錯誤將造成極大的影響。進一步針對較低輸入阻抗的裝置來說，使用者可實際降低導線所造成的電壓變化。表 1 則列出根據範例 DUT 輸入阻抗的較低數值，所能看到的範例 DUT 數值。

表 1. 根據輸入阻抗所見的 DUT 電壓

若要解決導線電阻所造成的電壓錯誤，則必須使用遠端感測，亦為常見的 4 線式感測 (4-wire sensing)。此技術原理即於 DUT 直接量測電壓並逐步進行補償作業，以達到跨導線電阻的電壓壓降 (Voltage drop)。此方法相似於多功能數位電表 (DMM) 執行 4 線式電阻量測的方法，可移除電阻量測的導線電阻影響。電源與 DMM 的輸出均具有 2 組額外終端，以進行此 4 線式遠端感測技術，並可直接連至 DUT。雖然遠端感測所使用的連接線仍具有導線電阻，但由於電壓量測屬於高阻抗量測，因此將不會有電流流經感測接線，亦不會產生電壓壓降。

SMU 一般均具有遠端感測功能，以完整利用新增加的電壓敏感度。遠端感測功能亦稱為「Kelvin sense」，為 PXI-4130 SMU 所具備的功能之一，並可透過軟體開啟/關閉此項功能。

4 個象限的作業範圍 (電源供應與電源吸入)

另 1 項定義 SMU 的特性，即為其輸出的彈性。SMU 具有 4 個象限的輸出，可提供正電壓與正電流 (象限 1)、負電壓與正電流 (象限 2)、負電壓與負電流 (象限 3)，或正電壓與負電流 (象限 4)。常見的 SMU 資料表具有近似於圖 2 的象限圖，顯示可套用於每個象限的最大電壓與電流。

圖 2. NI PXI-4130 Power SMU 的通道 1 象限圖

雙極

若電源供應器或 SMU 可區分為 4 個象限，則必須從相同終端同時供出正電壓與負電壓。若要進行啟用裝置中崩潰 (Breakdown) 的特性參數描述測試，由於該裝置同時具有順向 (Forward) 與逆向 (Reverse) 特性，因此該功能更顯重要。若輸出通道可容納從負值到正值的掃頻電壓 (Sweeping voltage)，則使用者可透過此輸出通道以記述這些順向與逆向特性。PXI-4130 Power SMU 可透過該雙極 SMU 通道，電源供應 (Sourcing) 最高 +20 V 與最低 -20 V。

 

圖 3. 一般f齊納二極體 (Zener Diode，ZD) 所顯示順向與逆向崩潰特性的 IV 曲線

電源吸入 (Sinking)

就如電源供應器或 SMU 可區分為 4 個象限，電源供應 (Sourcing) 與電源吸入 (Sinking) 亦可進行相同的區分。電源供應 (Sourcing) 為針對電路所提供的刺激，而電源吸入 (Sinking) 則為外接元件所造成的電力溢散 (Dissipating power)，如電池、充電電容，或其他電源。4 個象限的電源可設定為電源吸入 (Sinking) 電流，以停止電容或電池的充電作業。舉例來說，PXI-4130 即具有最高 10 W 功率的電源吸入 (Sinking) 功能。電源吸入 (Sinking) 象限通常包含 1 組實線 (Hard line)，可顯示穩定的功率消耗；還有 1 組虛線 (Dotted line) 可顯示脈衝模式所汲極的電流。由於 SMU 的連續性功率消耗，可能大幅低於相同儀器上的脈衝功率消耗，因此該區別方式極為重要。

同時需要電源吸入 (Sinking) 與電源供應 (Sourcing) 的應用，亦必須具備 4 象限的作業功能。此類應用則如測試充電式電池的充電週期，或測試數位半導體裝置針腳的輸出短路電流。PXI-4130 可於象限 I 與 III 中流出最高 40 W 功率，而於象限 II 與 IV 中吸入最高 10 W 功率。

掃頻 (Sweeping)

SMU 的主要應用，即為多種電子元件、半導體裝置，與客制晶片設計的特性參數描述測試 (Characterization) 與分類 (Classification) 作業。執行特性參數描述測試的常見方法之一，即是透過數值清單，針對供應至 DUT 的電壓或電流進行掃頻 (Sweeping) 作業。二極體與電晶體的 IV 曲線追蹤作業，即可視為此特性參數描述測試方法的典型範例。在此 2 個案例中，均將掃瞄穿過 DUT 終端的電壓，並量測所產生的電流。

掃瞄作業有多種形式，包含從線性到對數；從客制化到 DC或脈衝。當量測所造成的電壓與電流時，SMU 掃瞄電壓與電流可達最高 3000 S/s。更進一步來說，PXI-4130 可提供額外的「通用」通道，作為最高 6 V 與 1 A 的可程式化電源供應。使用者亦可使用此通道供應雙極接面電晶體 (BJT) 的基礎電流，或場效電晶體 (Field effect transistor，FET) 的閘極電壓 (Gate voltage)。圖 4 為 NI LabVIEW SignalExpress 環境中，PXI-4130 Power SMU 於 BJT 掃瞄 IV 曲線的截圖。

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圖 4. 使用 PXI-4130 Power SMU 於 BJT 進行 IV 特性參數描述測試

PXI 可程式化電源供應器與SMU

NI 提供 2 種 PXI 的精確電源：PXI-4110 可程式化電源供應器與 PXI-4130 Power SMU。在單一的 3U PXI 模組中，此 2 組儀器均可提供比傳統電源供應更高的精確度。圖 5 則為此 2 組 NI 精確電源與傳統可程式化電源的電流量測敏感度比較。

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圖 5. 比較 NI 的 PXI 精確電源供應的價格與精確度

 

若需要 NI 精確電源的相關規格與報價資訊，則可參閱下列模組產品頁面：

• NI PXI-4130 Power SMU
• NI PXI-4110  可程式化電源供應器