¿Qué es una Unidad de Medida de Fuente (SMU)?

Virtualmente toda investigación, diseño, desarrollo y aplicaciones de producción requieren de un instrumento capaz de suministrar potencia a un dispositivo que se encuentra en etapa de desarrollo o prueba. Muchas de estas aplicaciones requieren además la habilidad de monitorear el voltaje y la corriente que son consumidos por el dispositivo para caracterizar su comportamiento o probar su operación adecuada. A menudo, usted puede lograr estos dos requerimientos con una fuente de potencia programable que entrega un voltaje o corriente constante y que es capaz de leer el voltaje o corriente asociado. En estas aplicaciones, normalmente sensibilidad en el orden de mili amperes en las medidas de corriente es suficiente.

Existen aplicaciones que requieren alimentar y medir con mayor precisión de la que usted puede encontrar en una fuente de poder programable común refiriéndose a la sensibilidad de corriente en el orden de micro amperes. Por ejemplo, considere dispositivos electrónicos varios, para los cuales cada micro ampere de caída de corriente reduce la vida de la batería. Como resultado, los fabricantes necesitan caracterizar estos dispositivos durante la producción. En estas situaciones, una fuente de poder de alta precisión ofreciendo sensibilidad a nivel de micro amperes es la mejor opción.

Otras aplicaciones requieren aun mayor precisión y más características. La validación y caracterización de semiconductores es un ejemplo de una aplicación que requiere sensibilidad en la corriente en un rango de nano amperes. Adicionalmente, la demanda por más precisión, mayor velocidad, sensado remoto de voltaje y salidas de cuatro cuadrantes pueden hacer que el suministro de una fuente de poder programable sea insuficiente. Para estas situaciones, cuando la precisión de bajo nivel de abastecimiento y medición es necesaria, una unidad de medida de fuente (SMU) funciona bien.

Una USM es un instrumento de fuente de poder de precisión que comúnmente provee una fuente de voltaje y resolución de medición de o bajo 1mV así como fuente de corriente y resolución de medición bajo 1µA. Adicionalmente, los SMU ofrecen capacidad de sensado remoto y una salida de cuatro cuadrantes que incorpora voltajes bipolares así como la habilidad de absorber potencia. Finalmente, los SMU pueden desempeñar barridos tanto de corriente como de voltaje que usted puede utilizar para determinar las características IV de un dispositivo. Como resultado, los SMU han sido aceptados ampliamente en la industria y son componentes comunes en muchos sistemas de prueba automatizados. Para mayor información sobre las características específicas del SMU y sus aplicaciones asociadas, por favor lea las secciones correspondientes abajo.

Precisión

La característica más notable que diferencia un SMU de una fuente de poder estándar es su precisión. La precisión es definida como la repetitividad o reproducibilidad. Al considerar la precisión en instrumentación, tenga en mente dos características clave: sensibilidad y exactitud.

Sensibilidad

Sensibilidad se define como el cambio más pequeño detectable que puede ser medido (o entregado) por un instrumento. En otras palabras, sensibilidad es el incremento más pequeño que puede ser puesto en la salida de un dispositivo o detectado en la entrada de un dispositivo. Los SMU logran mayor sensibilidad que otras fuentes de poder estándar al ofrecer múltiples rangos en los cuales se puede poner o leer voltaje y corriente. Por ejemplo, el SMU NI PXI-4130 ofrece cinco rangos de corriente desde 2A hasta 200 µA.

Exactitud

La exactitud es la máxima incertidumbre para una determinada fuente o medición. La exactitud absoluta es referenciada a una lectura “verdadera” representada por un estándar. Los SMU comúnmente tienen exactitudes para fuentes y mediciones que son de o por debajo del 0.1 porciento de la salida a la cual se han configurado. Por ejemplo, el rango de 200 µA de un SMU PXI-4130 ofrece 0.03 porciento de exactitud.

 

Sensado Remoto de Voltaje

Un desafío en generar al medir voltajes con precisión y exactitud es el efecto que las resistencias de los conductores tienen sobre el voltaje que un dispositivo bajo prueba (DUT) ve. Las resistencias de los conductores están siempre presentes, pero son  más importantes cuando están involucrados cables pequeños a través de largas distancias. Aunque comúnmente no son más que unos cuantos ohms, estas resistencias pequeñas pueden tener un gran efecto en el voltaje que una DUT recibe, especialmente cuando la resistencia interna del DUT es pequeña.

La Figura 1 muestra un diagrama de un circuito genérico que consiste en una fuente de poder, cables conductores y una DUT. En este caso, la resistencia de los conductores se asume que es de 1Ω  para el conductor positivo como para el negativo conectados a la fuente de poder del DUT.

Figura 1. Diagrama de Conexión de una Fuente de Poder Programable Común.

Asumiendo que la fuente de poder se configure para dar una salida de 5V y el DUT tiene una impedancia de 1kΩ, usted puede calcular el valor actual de voltaje visto en las terminales del DUT usando la siguiente ecuación:

Para el caso inicial, el voltaje visto es de solamente 4.99V. Para algunos dispositivos, este cambio pequeño no es un problema; sin embargo, para aplicaciones que requieren una caracterización precisa basada en el voltaje de operación, este error puede ser muy importante. Además, para dispositivos que tienen impedancias de entrada bajas, usted puede reducir sustancialmente el cambio en el voltaje resultante visto en los cables. La tabla 1 lista los valores que el DUT de ejemplo ve basado en los valores más bajos de su impedancia de entrada.

 

Tabla 1. Voltajes vistos por el DUT basados en su impedancia de entrada.

La solución al error del voltaje inducido por la resistencia del conductor es el sensado remoto, también conocido como sensado por 4 hilos. Esta técnica toma en cuenta la caída de voltaje a través de la resistencia de los conductores al medir el voltaje directamente en el DUT y compensándolo según corresponda. Este método es similar a la manera en que los multímetros digitales (DMM) hacen mediciones de resistencia con 4 hilos para remover el efecto de las resistencias de los conductores en las mediciones de resistencia. Tanto las fuentes de poder como los DMM cuentan con dos terminales extra en la salida para permitir la técnica de sensado remoto con 4 hilos y estas terminales extra son conectadas directamente al DUT. Aunque aun haya resistencias en los cables conductores usados para el sensado remoto, las mediciones de voltaje son de alta impedancia por lo que no hay flujo de corriente a través de los cables sensores y no se presentan caídas de voltaje.

Los SMU comúnmente incluyen capacidades de sensado remoto para hacer uso completo de la sensibilidad de voltaje añadida que ofrecen. La capacidad de sensado remoto, también conocida como “sensado Kelvin” está disponible en el SMU PXI-4130 y puede ser configurada como encendido o apagado por medio de software.

 

Operación de Cuatro Cuadrantes (Fuente y Absorción)

Otra de las características que definen al SMU es la flexibilidad de sus salidas. Los SMU tienen cuatro cuadrantes de salidas, que pueden proveer voltaje positivo y corriente positiva (cuadrante 1), voltaje negativo y corriente positiva (cuadrante 2), voltaje negativo y corriente negativa (cuadrante 3) o voltaje positivo y corriente negativa (cuadrante 4). Típicamente, la hoja de especificaciones de un SMU tiene un diagrama de cuadrantes similar al mostrado en la Figura 2, mostrando el voltaje y corriente máxima  que se puede aplicar en cada uno de los cuatro cuadrantes. Los cuadrantes de absorción por lo general contienen una línea continua que muestra la disipación de poder sostenida y una línea punteada que muestra la habilidad de absorber corriente en modo pulsado. Esta distinción es importante porque la habilidad de disipación de poder continua de un SMU puede ser sustancialmente pequeña en comparación con la disipación de poder pulsada de ese mismo instrumento.

La operación de cuatro cuadrantes es una capacidad esencial para aplicaciones que requieren fuentes y absorción, como probar el ciclo de carga en baterías recargables o probar las salidas de corrientes de corto circuito en los pines de un dispositivo semiconductor digital. El PXI-4130 puede entregar hasta 40W en los cuadrantes I y III y absorber hasta 10W en los cuadrantes II y IV.

Figura 2. Diagrama de Cuadrantes para el Canal 1 del NI PXI-4130 SMU.

 

Bipolar

Para que una fuente de poder o SMU sea clasificada como de cuatro cuadrantes, debe ser capaz de entregar tanto voltajes positivos como negativos  desde las mismas terminales. Esto es importante para caracterizar el punto de ruptura de dispositivos activos que tienen características importantes de conducción directa e inversa para su operación. Usted puede caracterizar estas propiedades de conducción directa o inversa utilizando un canal de salida el cual puede acomodar  corrimientos de voltaje desde valores negativos a positivos. El PXI-4130 SMU puede entregar hasta +20V y disminuir hasta -20V en su canal SMU bipolar.

Figura 3. CurvaTípica IV de un Diodo Zener mostrando las características de ruptura para conducción directa e inversa.

 

Absorción

De manera similar, para que una fuente de poder o SMU pueda ser clasificada como de cuatro cuadrantes, también debe ser capaz de entregar poder así como de absorber poder. Entregar poder se refiere a proveer de un estímulo a un circuito, y absorber poder se refiere a disipar poder que se está aplicando por un componente activo externo como una batería, un capacitor cargado u otra fuente de poder. Una fuente de cuatro cuadrantes puede ser configurada para descargar un capacitor o una batería configurándola para absorber corriente. Por ejemplo, el PXI-4130 provee la habilidad de absorber hasta 10W.

 

Barridos

Una aplicación principal de un SMU es la caracterización y clasificación de varios componentes eléctricos, dispositivos semiconductores y diseños personalizados de chips. Una manera común de realizar esta caracterización es haciendo un barrido ya sea del voltaje o de la corriente siendo entregada a la DUT a través de una lista de valores. Un ejemplo clásico de este método de caracterización es trazar curvas IV para diodos y transistores. En ambos casos, se hace un barrido de voltaje a través de las terminales del DUT y la corriente resultante es medida.

Los barridos son bastante variados, hay desde lineales hasta logarítmicos y personalizados a DC o pulsados. Este SMU hace barridos de voltaje y corriente hasta 3000S/s mientras se miden los resultados de voltaje y corriente. Adicionalmente, el PXI-4130 ofrece una “utilidad” de canal adicional que actúa como una fuente de poder programable hasta de 6V a 1A. Usted puede utilizar este canal para proveer una base de corriente para un transistor de unión bipolar (BJT) o el voltaje de compuerta para un transistor de efecto de campo (FET). La Figura 4 muestra el SMU PXI-4130 siendo usado para hacer un barrido de las curvas IV sobre un BJT en el ambiente NI LabVIEW Signal Express.

Figura 4. Caracterización IV sobre un BJT utilizando el PXI-4130 SMU.

 

Fuentes de Poder Programables PXI y SMUs

National Instruments ofrece dos Fuentes de precisión para PXI: la fuente de poder programable PXI-4110 y el SMU PXI-4130. En un solo módulo 3U PXI, ambos instrumentos ofrecen mayor precisión que la disponible en la mayoría de las fuentes de poder tradicionales. La Figura 5 muestra una comparación entre la sensibilidad en la medición de corriente de las dos fuentes de precisión de NI con fuentes de poder programables tradicionales.

Figura 5. Comparación de Precio y Precisión de las Fuentes de Precisión NI para PXI.

 

Encuentre especificaciones e información de precios sobre fuentes de precisión de NI para PXI siguiendo las siguientes ligas:

 

•         NI PXI-4130 SMU

•         NI PXI-4110 Fuentes de Poder  Programables