什么是源测量单元(SMU)？

几乎所有的研究、设计、开发和生产应用都需要一个能够为开发中或测试中的设备提供供应电源供应的仪器。其中，许多应用还需要能够监测该设备正在消耗的电压和电流，以表征设备行为或测试其是否正常工作。通常，您可以通过单个充当恒压源或恒流源并读回相关电流或电压的可编程电源供应同时满足这两项需求。在这些应用中，毫安级的电流测量灵敏度通常已足够。

有些应用要求电源和测量具有比您在一个典型的采取微安水平的电流灵敏度的形式可编程电源供应中所能发现的精度更高的精度。例如，考虑普适计算中的电子设备，对它们而言，每微安的电流消耗都会减少电池的使用寿命。制造商们经常需要在生产过程中表征这些设备在各种状态下的功率消耗。对于这样一些情况，最佳选择便是一个提供微安水平灵敏度的高精度电源供应。

其他应用甚至需要更高的精度和更多的功能特性。半导体验证与表征便是要求纳安级以上的电流灵敏度的应用的一个范例。此外，更高精度、更高速率、电压遥感和四象限输出等方面的需求会使得一个传统可编程的电源供应无法满足要求。这样的情况会需要低精度的电源与测量，而一个源测量单元（SMU）可以很好地解决问题。

一个SMU是一只高精度电源仪器，它提供1毫伏以上的电压源与测量精度和1微安以上的电流源与测量精度。此外，SMU还提供遥感功能和一个同时包括双极性电压和功率消耗的能力的四象限输出还提供遥感功能和一个同时包括双极性电压和电子负载的能力的四象限输出。最后，SMU可以执行电流扫描和电压扫描，您可以利用这一功能确定一台设备的IV特征。因此，SMU已经在业界被广泛采用，也是许多自动化测试系统的一个常用组件。如欲了解关于SMU专有特性及其相关应用的更多信息，敬请查阅下面对应章节。

精度

使得一个SMU不同于标准电源供应的最显著特征是其精度。精度定义为可重复性或可复制性。当考虑仪器系统的精度时，请牢记两个相关的关键特性：灵敏度和准确度。

灵敏度

灵敏度被定义为可以被一台仪器测量（或作为电源）的最小的可检测的改变。换言之，灵敏度是指可以在一台设备的输出上设置的最小增量或在一台设备的输入上可检测的最小增量。SMU通过提供多个可以设置并读入电压与电流的量程，实现比标准电源供应更高的灵敏度。例如，NI PXI-4130功率SMU提供了从2安培到200微安的5个电流量程。

精确度

精确度是指一个给定电源和测量的最大不确定性。绝对准确度是指一个由标准表示的“正确”读数。典型情况下，SMU的电源和测量的准确度均高于该SMU所设置的输出的0.1%。例如，PXI-4130功率SMU的200微安量程提供了0.03%的准确度。

一个SMU的灵敏度和准确度最终共同确定了其在给定应用中的性能。虽然一些应用主要关注微小变化的检测，但其他应用关注一个电源值或测量响应的严格确定性。一般而言，当电源值和测量值的准确度都很重要，而且该应用所要求的灵敏度高于一个典型的可编程电源供应所能提供的灵敏度时，我们采用SMU。

电压的遥感

准确地提供精确电压电源或测量精确电压的一个挑战便是导线阻抗对受测设备（DUT）所经受的电压的影响。导线阻抗总是存在的，但在导线较为细长时会最为突出。虽然这些小阻抗在典型情况下不会超过几欧姆，但是对一个DUT所经受的电压会有较大的影响，特别是当该DUT的内部阻抗较小时。

图1展示了一个由一个电源仪器、导联线和一个DUT组成的通用电路的框图。在此例中，假设连接该电源与该DUT的正、负极导联线的导联阻抗均为1欧姆。

图1。一个典型的可编程电源供应的范例连接框图

假设该电源的输出设置为5V，而该DUT的阻抗为1 kΩ，您可以利用下面的等式计算出该DUT的两端所经受的实际电压：

对于最初的案例，所经受的电压实际仅为4.99V。对于一些设备，这样的微小变化并不成问题；然而，对于那些需要根据操作电压进行精确表征的应用，这样的误差可能会变得非常重要。而且，对于输入阻抗更低的设备，您可以显著减少所导致的导联所经受的电压的变化。表1列出了该范例DUT在其输入阻抗更低情况下所经受的电压值。

 

表1。DUT所经受的电压与输入阻抗的关系

对于导线阻抗所引入的电压误差的解决方案是遥感，也称为4-线感测。该技术通过测量该DUT直接承受的电压并做出相应补偿解决了跨导联阻抗的电压下降。该方法与数字万用表（DMM）执行4-线阻抗测量以消除导联阻抗对阻抗测量的影响的方式类似。电源与DMM的特性均在于输出端的两个额外的端子，以支持该4-线遥感技术，而且，这些额外的端子与该DUT直接相连。虽然用于遥感的导线仍存在导线阻抗，但是，由于电压测量具有高阻抗，所以没有电流流经该感测导线，进而没有检测到电压下降。

典型情况下，SMU含有遥感功能以充分利用其提供的附加的电压灵敏度。遥感功能，也称为“开尔文感测”，在NI PXI-4130功率SMU中有提供，并可以通过软件设置为启用或关闭。

四象限运行（电源与消耗）

SMU的另一个显著特征便是其输出的灵活性。SMU具有四象限输出，它可以提供正电压和正电流（1象限）、负电压和正电流（2象限）、负电压和负电流（3象限）或者正电压和负电流（4象限）。典型情况下，一个SMU数据电子表格具有一个与图2中内容相似的象限框图，它显示了您可以在这四个象限的每个象限中应用的最大电压与电流。

图2。NI PXI-4130功率SMU的通道1的象限框图

双极性

对于一个归类为四象限的电源供应或SMU，它必须能够从相同的端子提供正电压源和负电压源。这对于表征那些有源设备的崩溃非常重要，这些有源设备同时具有对其操作非常重要的正向特征和反向特征。您可以利用一个可以支持从负值到正值的扫描电压的输出通道表征这些正向特征和反向特征。该PXI-4130功率SMU在其双极性SMU通道提供最高为+20 V的电压源和最低为-20 V的电压源。

图3。一个典型的齐纳二极管的4象限曲线同时展示了正向崩溃特征和负向崩溃特征。

 

功率消耗

类似地，对于一个归类为四象限的电源供应或SMU，它也必须能够提供电源和消耗功率。电源是指为一个电路提供激励，而功率消耗则指消耗通过一个外部有源组件（如电池、充电电容或其他电源）施加的功率。对于同时需要提供电源和消耗功率的应用，如可充电电池的充电周期测试或一个数字半导体设备的管脚的输出短路电流的测试，四象限运行是必不可少的功能。该PXI-4130功率SMU可以在1、3象限提供功率高达40W的电源，在2、4象限消耗高达10W的功率。

 

扫描

SMU的一个主要应用便是各种电气组件、半导体设备和定制芯片设计的表征与分类。完成这一表征工作的一个典型方式便是根据一系列数值扫描并作为该DUT电源的电压或电流。该表征方法的一个经典范例便是跟踪二极管和晶体管的4象限曲线。在那两个案例中，该DUT的端子两侧的电压被扫描，并测量所得到的电流。

扫描可以采用多种方式，可以是线性方式或者对数方式，也可以是自定义方式，直流方式或者脉冲方式。当SMU测量得到的电压和电流时，以3000S/秒的速度扫描电压和电流。此外，PXI-4130还提供了一个额外可编程电源作为实用通道，可以提供6V电压和1A电流。你可以使用该通道为双极结型晶体管(BJT)提供基极电流，或者为场效应管(FET)提供栅极电压。图4描述了NI LabVIEW SignalExpress环境中，采用PXI-4130 power SMU扫描双极结型晶体管得到的IV曲线。

图4. 使用PXI-4130 Power SM扫描双极结型晶体管得到的IV特性曲线

 

PXI可编程电源供应与SMU

NI为PXI提供了两种高精度电源：PXI-4110可编程电源和PXI-4130 功率SMU。虽然它们都只是一块3U的 PXI模块，但却都比其他传统的电源具备更高的精确度。图5显示了这两种NI高精度电源与传统可编程电源之间在电流测量灵敏度方面的对比。

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图5. NI公司PXI高精度电源的价格和精度的比较

如欲了解关于NI高精度电源的技术规范和报价信息，敬请访问：

NI PXI-4130功率SMU

NI PXI-4110可编程电源供应