Che cos'è una SMU (Source Measure Unit)?

A livello virtuale, qualsiasi applicazione di ricerca, design, sviluppo e produzione richiede uno strumento in grado di fornire un’alimentazione al dispositivo in fase di sviluppo o test. La maggior parte di queste applicazioni richiede inoltre la capacità di monitorare tensione e corrente consumata dal dispositivo al fine di caratterizzare il comportamento o di testarne la corretta operatività. Spesso, è possible trovare questi requisiti in un singolo alimentatore programmabile che fornisce sia tensione che corrente costante ed è in grado di leggere i relativi livelli. In questo tipo di applicazioni, spesso è sufficiente la sensibiltà al milliampere in operazioni di misura della corrente. Esistono applicazioni che richiedono sorgenti e misure dotate di una maggiore precisione rispetto al tradizionale alimentatore programmabile dotato di sensibilità a livello di microampere. Ad esempio, considerando i dispositivi elettronici più diffusi, ogni piccolo aumento della corrente nominale riduce il tempo di vita delle batteria. Di conseguenza, i produttori devono spesso caratterizzare questi dispositivi in fase di produzione. In questi casi, la migliore soluzione è rappresentata da un alimentatore ad alta precisione dotato di sensibilità a livello di microampere. Esistono altre applicazioni che richiedono maggiore funzionalità e precisione. La funzione di convalida e caratterizzazione dei semiconduttori è un esempio di applicazione che richiede una sensitività di corrente a livello di nanoampere. Inoltre, le richieste di maggiore precisione, elevata velocità, rilevamento remoto della tensione, output a quattro quadranti, possono rendere insufficiente il tradizionale alimentatore programmabile. In situazioni che richiedono funzioni precise di sorgente e misura a basso livello, la scelta ideale punta ad una SMU (source measure unit). Si tratta di uno strumento di precisone che fornisce sorgente di tensione e risoluzione di misura pari o inferiore a 1mV nonchè sorgente di corrente e risoluzione di misura pari o inferiore a 1 µA. Le SMU offrono inoltre funzionalità di rilevamento remoto, uscite a quattro quadranti che incorporano sia tensioni bipolari che funzioni di assorbimento potenza. Infine, le SMU sono in grado di effettuare lo sweeping della corrente e della tensione necessarie a determinare le caratteristiche IV del dispositivo. Di conseguenza, le SMU sono state ampiamente adottate nel settore industriale con una massiccia presenza nei sistemi automatizzati di test. Per maggiori informazioni su caratteristiche specifiche della SMU e applicazioni associate, ti invitiamo a leggere la relativa sezione in fondo.

Precisione

La principale caratteristica che distingue una SMU da un alimentatore standard è la precisione. La precisione viene definita in termindi di ripetibilità e riproducibilità. Nell'analisi della precisione della strumentazione, è necessario tenere presente due principali caratteristiche affini: Sensibilità e precisione.

 

Sensibilità

Per sensibilità si intende la capacità di uno strumento di misurare (o generare) ogni piccolo cambiamento rilevabile. In altre parole, ci si riferisce al più piccolo incremento che è possibile impostatare come uscita o rilevare come entrata del dispositivo. Le SMU raggiungono una sensibiltà maggiore rispetto agli alimentatori standard perchè dispongono di più intervalli su cui è possibile impostare e leggere tensione e corrente. Ad esempio, la SMU NI PXI-4130 dispone di cinque intervalli di corrente che vanno da 2 A a 200 µA.

Accuratezza

L’ accuratezza rappresenta il massimo grado di incertezza di una data sorgente o misura. L'accuratezza assoluta corrisponde ad un valore "vero" rappresentato da uno standard. In genere le SMU dispongono di funzioni di accuratezza per sorgenti e misure inferiori allo 0.1 percento dell'output su cui esse vengono impostate. Ad esempio, l’intervallo di 200 µA della SMU PXI-4130 offre una precisione dello 0.03 percento.

 

Rilevamento remoto della tensione

Per generare o misurare l’esatta tensione è necessario considerare l’effetto che la resistenza dei connettori provoca sulla tensione letta dalla DUT (device under test). La resistenza dei connettori è sempre presente ma si accentua quando vengono coinvolti i fili sottili di maggiore lunghezza. Dotate di ampiezza ridotta, queste piccole resistenze possono avere un notevole effetto sulla tensione ricevuta da una DUT, specialmente se questa dispone di una piccola resistenza.
La figura 1 mostra il diagramma di un circuito generico composto da alimentatore, connessioni e DUT. In questo caso, la resistenza portante dovrebbe essere pari a 1 Ω per entrambi i cavi, positivo e negativo, che colleganol l'alimentazione alla DUT.

Figura 1. Diagramma di connessione di un tradizionale alimentatore programmabile

Supponendo che l’output dell’alimentatore sia impostato a 5 V e la DUT abbia un’impedenza di 1 kΩ, è possibile calcolare l’attuale tensione letta sui terminali della DUT utilizzando la seguente equazione:

Nel caso iniziale, la tensione rilevata è pari a 4.99V. In alcuni dispositivi, questo leggero cambiamento non è rilevante; tuttavia, nel caso di applicazioni che richiedono una precisa caratterizzazione basata sulla tensione operativa, questo margine di errore può influire notevolmente. Inoltre, nel caso di dispositivi dotati di minori impedenze di ingresso , è possibile ridurre in maniera sostanziale il cambio di tensione presente nei collegamenti. La tabella 1 elenca i valori che la DUT nell’esempio rileva sulla base di valori ridotti della propria impedenza di ingresso.

DUT Impedance	DUT Voltage
1 kΩ	4.99 V
100 Ω	4.9 V
10 Ω	4.16 V

Tabella 1. Voltaggi rilevati dalla DUT sulla base dell’impedenza di ingresso

La soluzione al margine di errore di tensione dei conduttori è costituita dal rilevamento a distanza, noto come rilevamento a 4 fili. Questa tecnica tiene conto della caduta di tensione dovuta alla resistenza dei conduttori misurando la tensione direttamente a livello della DUT e compensando di conseguenza. Questo metodo è simile al modo in cui i multimetri digitali (DMM) eseguono misure di resistenza a quattro fili per rimuovere l’effetto di resistenza dei conduttori dalle operazioni di misura della resistenza. Sia gli alimentatori che i DMM dispongono di due terminali aggiuntivi in uscita per consentire il rilevamento remoto a 4 fili; questi terminali aggiuntivi vengono connessi direttamente alla DUT. Nonostante la presenza di resitenza dei conduttori all’interno fili utilizzati per il rilevamento a distanza, la misure di tensione sono ad alta impedenza per evitare il sorgere di flussi di corrente o cadute di tensione.
Le SMU generalmente includono funzionalità di rilevamento a distanza per sfruttare appieno la maggiore sensibilità di tensione fornita. La funzionalità di rilevamento a distanza, note come “Kelvin sense” sono disponibili sulla SMU PXI-4130 e può essere impostata via software in modalità on/off.

 

Funzionamento a quattro quadranti (generazione e assorbimento)

Un’altra importante caratteristica di una SMU riguarda la flessibilità delle proprie uscite. Le SMU dispongono di uscite a quattro quadranti, in grado di fornire tensione positiva e corrente positiva (quadrante 1) tensione negativa e corrente positiva (quadrante 2), tensione negativa e corrente negativa (quadrante 3) o tensione positiva e corrente negativa (quadrante 4). In genere un foglio di dati relativo ad una SMU mostra un diagramma a quadranti simile alla Figura 2. Essa contiente il valore massimo di corrente e tensione applicabile in ciascuno dei quattro quadranti. I quadranti di assorbimento spesso contengono una linea continua che mostra la dissipazione sostenuta e una linea tratteggiata che mostra la capacità di assorbire corrente in modalità ad impulsi. Questa differenza è importante perchè, nello stesso strumento, la capacità di dissipazione continua di una SMU può essere notevolmente inferiore di quella ad impulsi.
La funzionalità a quattro quadranti è essenziale per applicazioni che richiedono operazioni di generazione/assorbimento quali il test del ciclo di carica su batterie ricaricabili o il test del corto circuito in uscita sui connettori di un dispositivo semiconduttore. Il PXI-4130 può generare fino a 40W nei quadranti I e III e assorbire fino a 10 W nei quadranti II e IV.

Figura 2. Diagramma del quadrante per il Canale 1 sulla SMU del PXI-4130

 

Bipolare

Per poter definire “a quattro quadranti” un alimentatore o una SMU, è necessario generare la tensione positiva e negativa dagli stessi terminali. Questo è importante per rilevare il breakdown in dispositivi attivi che dispongono di funzioni di forward e reverse, fondamentali per l'operatività dei dispositivi. È possible rilevare queste caratteristiche di forward e reverse utilizzando un canale di uscita in grado di trasformare il sweeping della tensione da negativa a positiva. La SMU PXI-4130 genera una corrente compresa tra +20 V e -20V sul proprio canale bipolare.

Figura 3. Curva IV di un diodo zener che mostra le carattarestiche forward e reverse del breakdown

 

Assorbimento

Allo stesso modo, un alimentatore o una SMU per potersi definire “a quattro quadranti”, deve essere in grado di erogare e assorbire potenza. Per erogazione si intende lo stimolo fornito ad un circuito, con assorbimento si indica la potenza dissipata applicata da un componente esterno attivo tipo una batteria, un condensatore o un'altra sorgente. Un alimentatore a quattro quadranti può essere configurato per eseguire la scarica di un condensatore o di una batteria mediante l’assorbimento della corrente. Ad esempio, il PXI-4130 dispone di capacità di assorbimento fino a 10 W.

 

Sweeping

Una delle principali applicazioni della SMU rigurarda la caratterizzazione e classificazione dei vari componenti elettrici, dispositivi semiconduttori e progettazione customizzata di chip. Un metodo tipico di questa caratterizzazione prevede lo sweeping della tensione o della corrente erogata alla DUT all’interno di un elenco di valori. Un esempio classico di questo metodo di caratterizzazione riguarda il tracciamento della curva per diodi o transistor. In entrambi i casi, lo sweeping della tensione passa attraverso i terminali della DUT in modo da misurare la corrente risultante.
Esistono diverse funzioni di sweeping che includono quelle lineari, logaritimiche, personalizzate, DC oppure ad impulsi. Questa SMU esegue lo sweep di tensione e corrente fino a 3000 S/s e nello stesso tempo misura la tensione e la corrente restituita. Il PXI-4130 offre inoltre un canale aggiuntivo che funge da alimentatore programmabile in grado di erogare corrente e tensione pari a 6V e 1A rispettivamente. È possibile utilizzare questo canale per fornire la corrente base ad un BJT (transistor a giunsione bipolare) o la tensione di gate ad un FET (transistor ad effetto di campo). La figura 4 mostra l’alimentatore SMU PXI-4130 utilizzato per effettuare il sweep delle curve IV su un BJT in ambiente NI LabVIEW SignalExpress.

Figura 3. Caratterizzazione della IV su un BJT utilizzando un alimentatore SMU PXI-4130

 

Alimentatori programmabili PXI ed SMU

National Instruments offre due sorgenti di precisione per PXI: l’alimentatore programmabile PXI-4110 e la SMU PXI-4130 In un unico modulo PXI a 3U, entrambi gli strumenti offrono una maggiore precisione rispetto alla maggior parte degli alimentatori tradizionali. La figura 5 mostra un confronto della sensibilità nella misura di corrente delle due sorgenti di precisione dotate dei tradizionali alimentatori programmabili.

Figura 5. Confronto del rapporto prezzo precisione delle sorgenti di precisione di National Instruments per PXI

Cliccando sui seguenti link è possibile trovare le specifiche e le informazioni sui prezzi relativi alle sorgenti di precisione NI per PXI:

• NI PXI-4130 Power SMU
• NI PXI-4110 Programmable Power Supply