Qu'est-ce qu'une unité de source et mesure ?

Pratiquement toutes les applications de recherche, de conception, de développement et de production nécessitent un instrument capable de générer une puissance vers un matériel en cours de développement ou de test. Bon nombre de ces applications requièrent aussi la capacité de contrôler la tension et le courant consommés par ledit matériel afin de caractériser son comportement ou de le tester pour garantir son bon fonctionnement. Vous pouvez souvent faire d’une pierre deux coups à l'aide d'une seule et unique alimentation programmable qui génère soit une tension constante soit un courant constant, en plus de lire en retour le courant ou la tension associé(e). Dans ces applications, la sensibilité au milliampère près dans la mesure de courant suffit souvent.

Pratiquement toutes les applications de recherche, de conception, de développement et de production nécessitent un instrument capable de générer une puissance vers un matériel en cours de développement ou de test. Bon nombre de ces applications requièrent aussi la capacité de contrôler la tension et le courant consommés par ledit matériel afin de caractériser son comportement ou de le tester pour garantir son bon fonctionnement. Vous pouvez souvent faire d’une pierre deux coups à l'aide d'une seule et unique alimentation programmable qui génère soit une tension constante soit un courant constant, en plus de lire en retour le courant ou la tension associé(e). Dans ces applications, la sensibilité au milliampère près dans la mesure de courant suffit souvent.

Il existe des applications qui ont besoin de générer et de mesurer avec davantage de précision que vous ne pouvez trouver sur une alimentation programmable standard sous la forme d'une sensibilité de courant au niveau du microampère. Par exemple, considérons des matériels électroniques omniprésents, pour lesquels chaque microampère de courant tiré réduit la durée de vie des batteries. En conséquence, les fabricants ont souvent besoin de caractériser ces matériels en cours de production. Dans ces cas-là, une alimentation haute précision offrant une sensibilité au niveau du microampère est le meilleur choix possible.

D’autres applications nécessitent une précision supérieure et un plus grand nombre de caractéristiques. La validation et la caractérisation des semi-conducteurs sont un exemple d’application qui nécessite une sensibilité du courant dans la gamme des nanoampères. En outre, le besoin d'avoir plus de précision, une vitesse supérieure, une détection déportée de la tension et des sorties à quatre quadrants peuvent rendre une alimentation programmable traditionnelle insuffisante. Dans ces situations-là, où la génération et la mesure bas niveau de précision sont nécessaires, une unité de source et mesure (SMU) fait très bien l’affaire.

Une SMU est un instrument de génération d’alimentation de précision qui offre traditionnellement une source de tension et une résolution des mesures égales ou inférieures à 1 mV ainsi qu’une génération de courant et une résolution des mesures inférieures à 1 µA. En outre, les SMU offrent une fonctionnalité de détection déportée et une sortie à quatre quadrants qui incorpore à la fois des tensions bipolaires et la capacité d’absorber la puissance. Enfin, les SMU peuvent effectuer des balayages à la fois du courant et de la tension, que vous pouvez utiliser pour déterminer les IV caractéristiques d'un matériel. En conséquence, les SMU sont très largement adoptées dans l’industrie et représentent un élément commun à de nombreux systèmes de test automatisé. Pour en savoir plus sur les caractéristiques spécifiques aux SMU et leurs applications associées, nous vous invitons à lire la suite de ce tutorial.

La précision

La caractéristique la plus importante qui distingue une SMU d’une alimentation standard est sa précision. La précision se définit par la répétitivité ou la reproductibilité. En considérant la précision de l’instrumentation, gardez en tête deux caractéristiques essentielles liées : la sensibilité et la précision.

 

La sensibilité

La sensibilité est définie comme le changement le moins marqué qui peut se mesurer (ou être généré) par un instrument. En d’autres termes, la sensibilité est la plus petite incrémentation qui peut s’établir sur la sortie d’un matériel ou être détectée sur l’entrée d’un matériel. Les SMU obtiennent une sensibilité supérieure à celle des alimentations standards en offrant plusieurs gammes sur lesquelles elles peuvent fixer et lire la tension et le courant. Par exemple, la SMU de puissance NI PXI-4130 offre cinq gammes de courant comprises entre 2 A et 200 µA. 

La précision

La précision est l’incertitude maximale d’une source ou d’une mesure donnée. La précision absolue est référencée comme une “vraie” lecture représentée par un standard. Les SMU ont des précisions pour la génération et la mesure qui sont égales ou inférieures à 0,1 % de la sortie à laquelle elles sont fixées. Par exemple, la gamme 200 µA de la SMU de puissance PXI-4130 offre une précision de 0,03 %.

Détection déportée de la tension

Un défi dans la génération et la mesure précises de tensions de précision est l'effet que la résistance principale a sur la tension que voit un circuit sous test. La résistance principale est toujours présente mais est particulièrement marquée lorsque des câbles plus petits sur des distances plus longues sont impliqués. Bien qu’elles n’excèdent généralement pas plus de quelques ohms, ces petites résistances peuvent avoir un effet significatif sur la tension que reçoit un circuit sous test, particulièrement lorsque la résistance interne du circuit sous test est faible.  

La Figure n°1 présente le diagramme d’un circuit générique qui se compose d’un instrument de génération de puissance, de câbles de broches et d’un circuit sous test. Dans ce cas précis, la résistance principale est censée être d’1 Ω pour les câbles de broches à la fois positifs et négatifs, connectant la source de puissance au circuit sous test.

Figure n°1. Diagramme de connexion d’une alimentation programmable typique

 

En imaginant que la source d'alimentation soit fixée à une sortie de 5 V et que le circuit sous test présente une impédance de 1 kΩ, vous pouvez calculer la tension réelle constatée aux terminaux du circuit sous test en utilisant l’équation suivante :

Dans le premier cas, la tension lue est égale à 4,99 V. Pour certains périphériques, ce petit changement ne constitue pas un problème. Toutefois, pour des applications qui nécessitent une caractérisation précise basée sur la tension de fonctionnement, cette erreur peut prendre des proportions importantes. De surcroît, pour les matériels qui présentent des impédances d’entrée plus basses, vous pouvez réduire de façon importante le changement résultant dans la tension lue aux bornes. Le Tableau n°1 liste les valeurs que l’exemple de circuit sous test lit en fonction des valeurs basses de son impédance d’entrée.

 

 

Tableau n°1. Tensions lues par le circuit sous test en fonction de l’impédance d’entrée

La solution à l’erreur de tension induite par la résistance principale est la détection déportée, communément appelée la détection à quatre câbles. Cette technique explique la chute de tension dans la résistance principale en mesurant la tension directement dans le circuit sous test et en compensant en conséquence. Cette méthode s’apparente à la façon dont les multimètres numériques (DMM) effectuent des mesures de résistance à quatre câbles pour éliminer l'effet de résistance principale des mesures de résistance. Les sources de puissance et les DMM présentent, tous deux, deux terminaux supplémentaires sur la sortie pour permettre cette technique de détection déportée à quatre câbles, et ces terminaux supplémentaires sont connectés directement au circuit sous test. Bien qu’il existe encore une résistance principale dans les câbles utilisés pour la détection déportée, les mesures de tension sont d’impédance haute de sorte qu’aucun courant ne circule à travers les câbles de détection et aucune chute de tension n’est observée.

Les SMU incluent habituellement une fonctionnalité de détection déportée pour exploiter pleinement la sensibilité de la tension ajoutée qu'ils offrent. La fonctionnalité de détection déportée, communément appelée "Détection Kelvin" existe sur la SMU PXI-4130 et peut être activée ou désactivée de façon logicielle.

Fonctionnement à quatre quadrants (source et sink)

Une autre caractéristique importante des SMU est la souplesse de leurs sorties. Les SMU ont des sorties à quatre quadrants, qui peuvent offrir une tension positive et du courant positif (quadrant 1), une tension négative et un courant positif (quadrant 2), une tension négative et un courant négatif (quadrant 3) et une tension positive et un courant négatif (quadrant 4). En règle générale, la fiche signalétique d’une SMU présente un diagramme de quadrant semblable à celle de la Figure n°2, présentant une tension et un courant maximaux que vous pouvez appliquer à chacun des quatre quadrants. Les quadrants d’absorption contiennent souvent une ligne matérielle qui présente une dissipation de puissance soutenue ainsi qu'une ligne en pointillés qui présente la capacité à absorber du courant dans un mode pulsé. Cette distinction est importante parce que la capacité de dissipation de puissance continue d’une SMU peut être nettement plus petite que celle pulsée du même instrument.

Un fonctionnement à quatre quadrants est une caractéristique essentielle pour les applications qui nécessitent à la fois de la génération et de la réception (l’injection et l’absorption), comme, par exemple, le fait de tester le cycle de charge sur des batteries rechargeables ou le fait de tester les courants de courts-circuits de sortie sur les broches d'un matériel semi-conducteur numérique. Le PXI-4130 peut générer jusqu'à 40 W dans les quadrants I et III et réceptionner jusqu'à 10 W dans les quadrants II et IV.

Figure n°2. Le diagramme avec quadrants pour la voie 1 sur la SMU de puissance NI PXI-4130

Bipolaire

Pour qu’une alimentation ou une SMU soit catégorisée à quatre quadrants, elle doit être capable de générer à la fois une tension positive et négative depuis les mêmes terminaux. C’est important pour caractériser la répartition dans les matériels actifs qui ont à la fois des caractéristiques avant et arrière importantes pour leurs fonctionnements. Vous pouvez caractériser ces caractéristiques avant et arrière en utilisant une voie de sortie capable d'accommoder une tension de balayage depuis des valeurs négatives à positives. La SMU de puissance PXI-4130 génère jusqu’à +20 V et -20 V sur sa voie SMU bipolaire.

Figure n°3. Courbe IV d'une diode Zener standard qui présente les caractéristiques d'une répartition à la fois avant et arrière

 

Réception

De même, pour qu'une alimentation ou une SMU soit catégorisée à quatre quadrants, elle doit également être capable de générer de la puissance aussi bien que de la réceptionner. Générer la puissance revient à offrir le stimulus d’un circuit, et réceptionner la puissance revient à dissiper la puissance appliquée par un composant actif externe comme une batterie, un condensateur chargé ou une autre source de puissance. Une alimentation à quatre quadrants peut être configurée pour décharger un condensateur ou une batterie en la réglant pour qu'elle réceptionne le courant. Par exemple, le PXI-4130 offre la capacité de réceptionner jusqu’à 10 W.

 

Balayage

Une application SMU primaire est la caractérisation et la classification de divers composants électriques, de matériels semi-conducteurs et de conceptions de circuits personnalisées. Une façon classique d’effectuer cette caractérisation est de balayer la tension ou le courant qui est généré au circuit sous test via une liste de valeurs. Un exemple classique de cette méthode de caractérisation consiste à tracer des courbes IV pour les diodes et les transistors. Dans tous les cas, la tension est balayée sur les terminaux du circuit sous test et le courant obtenu est mesuré.

Les balayages existent dans toute une variété de formes différentes, du linéaire au logarithmique en passant par le courant continu ou pulsé. Cette SMU balaie la tension et le courant à une vitesse de 3000 éch./s tout en mesurant la tension et le courant obtenus. De plus, le PXI-4130 offre une voie “utilitaire" supplémentaire qui agit comme une alimentation programmable jusqu'à 6 V et 1 A. Vous pouvez utiliser cette voie pour offrir le courant de base pour un transistor de jonction bipolaire (BJT) ou la tension de la porte pour un FET (transistor à effet de champ). La Figure n°4 présente la SMU de puissance PXI-4130 utilisée pour balayer les courbes IV sur un BJT dans l’environnement NI LabVIEW SignalExpress.

Figure n°4. Caractérisation IV sur un BJT en utilisant la SMU de puissance PXI-4130

 

 

Alimentations programmables PXI et SMU

{National Instruments offre deux sources de précision pour le PXI : l'alimentation programmable PXI-4110 et la SMU de puissance PXI-4130. Dans un seul et unique module PXI 3U, ces instruments offrent tous les deux plus de précision que la plupart des alimentations traditionnelles. La Figure n°5 affiche une comparaison de la sensibilité des mesures de courant des deux sources de précision NI avec des alimentations programmables traditionnelles.

[+] Agrandir l'image

Figure n°5. Comparaison du prix et de la précision des sources de précision NI pour le PXI

Prenez connaissance des spécifications et des informations sur les tarifs des sources de précision NI pour le PXI en suivant les liens suivants :

•         SMU de puissance NI PXI-4130

•         Alimentation programmable NI PXI-4110