NI為自動化測試和實驗室特性分析應用提供了各種源測量單元（SMU）。 這些SMU兼具傳統(tǒng)臺式SMU的功能和測量性能，同時采用NI技術，使其更小巧、更快速且更靈活。 NI SMU小巧的組成結(jié)構(gòu)和模塊化特性使其成為并行IV測試系統(tǒng)重要儀器，可幫助您在19英寸4U機架空間內(nèi)開發(fā)高達68個通道的高通道數(shù)解決方案。 模塊化PXI平臺使您能夠通過PXI背板觸發(fā)這些源測量單元SMU，以同步與其他儀器的測量，包括高速數(shù)字I/O儀器、射頻分析儀、發(fā)生器、高速數(shù)字化儀。

1. 多樣的硬件選擇

NI提供了多種SMU組成結(jié)構(gòu)。 這些模塊滿足了從為通用自動化測試供電到對半導體設備執(zhí)行參數(shù)測試等各種測試和特性分析需求。 下表列出了NI的各款SMU。

系統(tǒng)SMU

SMU之所以可以得到廣泛的應用是因為它將高功率、高精度、高速源測量功能集成到單個SMU通道上。 這些儀器提供了20W的連續(xù)直流電源和高達500W的瞬時脈沖功率。

高通道數(shù)SMU

對于高通道數(shù)低功率的應用，NI PXIe-414x四通道SMU系列可以提供業(yè)界領先的通道密度（單個4U PXI機箱上最多可有68個通道）。 這些儀器由于具有可自定義的瞬態(tài)響應、精度、密度而成為精密半導體應用的理想選擇，比如MEMS系統(tǒng)測試、開短路檢測、為RF集成電路（RFIC）供電。

2. 通道密度

NI SMU在單個4U機架空間提供了高達68個SMU通道。

相對于傳統(tǒng)臺式SMU，NI SMU可提供更高的通道密度，如圖1所示，單個4U機架空間可提供17或68個SMU通道。NI SMU小巧的組成結(jié)構(gòu)使其成為創(chuàng)建高引腳數(shù)測試系統(tǒng)或緊密集成的混合信號測試系統(tǒng)的理想選擇。 例如，您可以僅使用NI PXIe-4139系統(tǒng)SMU來構(gòu)建高亮度LED所需的平行測試系統(tǒng)，也可將SMU與其他基于PXI的設備配合使用，在單個PXI機箱內(nèi)構(gòu)建集成式RF功率放大器測試系統(tǒng)。

圖1. 在單個18槽PXI機箱中結(jié)合了高達17個PXI SMU通道。

無論從密度和集成的角度來看，使用臺式儀器構(gòu)建高密度或混合信號測試系統(tǒng)要比使用模塊化平臺更具挑戰(zhàn)性。 傳統(tǒng)臺式儀器在4U機架空間提供了8個SMU通道，而NI SUM則在單個PXI機箱相同的空間內(nèi)提供了17個通道，其具有相似的功率范圍。 PXI平臺還通過在單個PXI機箱共享定時和同步簡化了多個SMU和其他儀器之間的集成。 集成式觸發(fā)路由與NI SMU的板載硬件序列引擎相結(jié)合，可幫助您輕松地在多個SMU或其他儀器之間共享事件和觸發(fā)，無需任何外部接線。

3. 高速源和測量功能

NI基于PXI Express的SMU提供了所需的靈活性來執(zhí)行高速和高精度直流測量，可改變測量的間隙時間。 短測量空隙時間讓您可將SMU用作為采樣率高達1.8 MS/s的數(shù)字化儀，而寬測量間隙時間則能夠讓您以高達10 fA的電流分辨率進行高精度測量。

精度

NI SMU能夠以高達10 fA的電流靈敏度執(zhí)行高精度測量。 高精度測量需要的間隙時間必須使SMU的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有足夠的時間來集成信號并應用噪聲抑制濾波器。 SMU的空隙時間通常是指電源線周期數(shù)（NPLC），通常默認為使用1個NPLC來濾除電源線路引起的噪聲（60 Hz或50 Hz）。

NI SMU結(jié)合了高精度和高速測量

NI SMU在各種間隙時間下提供了低噪聲測量性能，即使高速運行時也是如此。 下圖對NI PXIe-4139 系統(tǒng)SMU和傳統(tǒng)臺式SMU之間的測量性能進行了比較，這兩個儀器都具有100 fA的電流靈敏度。 隨著間隙時間（NPLC）的增加，SMU可在較長的時間內(nèi)集成信號，并通過取平均值和濾波等技術降低噪聲。

圖2. 電流測量噪聲（A）為間隙時間的函數(shù)（NPLC）

這些數(shù)據(jù)列出了在不同間隙時間（0.001，0.01，0.1，1和2個NPLC）下兩個SMU的RMS電流噪聲，電流測量范圍均為1A。 這兩種儀器都以相同的時間間隔進行校準，以維持相同的測試參數(shù)。 以下兩種情況下展示了NI SMU相比傳統(tǒng)臺式SMU的測量質(zhì)量和速度。

比較相同測量間隙時間下的噪聲性能

NI SMU在1 NPLC下的噪聲為0.1~0.2μA，而傳統(tǒng)臺式SMU的噪聲為10?20μA。 這意味著NI SMU在相同的速度下的噪聲減少了100倍，且在相同的電流范圍內(nèi)提供更好的測量精度。

比較相同電流噪聲的測量速度

使用傳統(tǒng)臺式SMU，您可能需要更寬的空隙時間來滿足測量的噪聲需求。 但是，NI SMU在0.005 NPLC的噪聲與傳統(tǒng)臺式SMU在1個完整NPLC的噪聲相同，這意味著在測量速度方面有了100倍的提升。 這使您能夠在維持同樣測量性能的同時，顯著降低整體測試時間。

高速采樣和數(shù)據(jù)流

NI SMU相比傳統(tǒng)臺式SMU有著更高的采樣率，因而SMU可用作高電壓或電流數(shù)字化儀。 此外，NI SMU提供了快速的更新率以及可自定義的SMU響應，使您能夠非常快速逐句調(diào)試序列或使用SMU來生成任意波形。 PC主機和SMU之間的直接DMA數(shù)據(jù)流避免了GPIB和以太網(wǎng)等傳統(tǒng)總線接口相關的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，并確保您可以以SMU的最大更新速率讀寫大型波形。 下表顯示了NI SMU與傳統(tǒng)臺式SMU的詳細比較。

NI SMU的數(shù)字化儀功能對于捕獲SMU響應的詳細瞬態(tài)特性或分析線性和負載瞬態(tài)等待測設備的行為特性至關重要。 如果沒有這個功能，就需要一個外部示波器。

圖3. NI SMU提供了比傳統(tǒng)臺式SMU更高的采樣率。

上圖顯示了SMU生成了一個電流脈沖，并以20 kS/s和1.8 MS/s的速率采樣輸出數(shù)據(jù)。NI SMU 1.8 MS/s的采樣率可提供詳細的脈沖瞬態(tài)特性，并確保SMU響應沒有任何過沖或振動。

4. 可自定義的瞬態(tài)響應 - NI SourceAdapt技術

SourceAdapt技術使您能夠優(yōu)化任意負載的SMU響應，即使是高感性或高容性負載。 新一代SMU技術可實現(xiàn)數(shù)字控制循環(huán)，而不是傳統(tǒng)模擬數(shù)字循環(huán)，這樣您可以完全自定義SMU的瞬態(tài)響應。

傳統(tǒng)SMU的局限性

SMC采用閉環(huán)反饋控制來確保所設置的電源值（設定值）正確地施加到待測負載上。 傳統(tǒng)的SMU使用模擬硬件來實現(xiàn)控制循環(huán)，但是這種方式有得有失。 例如，專為高速測試而設計的高帶寬SMU通常不適合測試需要高穩(wěn)定性的高容性負載。 另一方面，針對高容性負載而設計的SMU并一定適用于高速測試。 事實上，大多數(shù)傳統(tǒng)源測量單元的設計都為了高速測試或高穩(wěn)定性測試。 即使如此，獲得最佳響應仍然十分困難，因為設計出能夠為不同負載提供正確響應的電路是極其困難的一件事。

SourceAdapt的優(yōu)勢

SourceAdapt技術可幫助您針對特定負載自定義調(diào)諧SMU響應，從而從根本上解決這個問題。 這提供了最佳的SMU響應和最低的建立時間，從而減少了等待時間和和測試時間，避免了過沖和振蕩，進而保護了DUT和確保了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 由于SMU響應的調(diào)諧是通過編程完成的，因此針對高速測試配置的SMU可輕松針對高穩(wěn)定性測試進行重新配置——從而最大化測試設備的投資回報和獲得更好的結(jié)果。

圖4. SourceAdapt技術可實現(xiàn)自定義響應，以獲得最大穩(wěn)定性和最小上升時間。

5. 軟件優(yōu)勢

是一個兼容IVI的儀器驅(qū)動，為、和 提供了一個軟件前面板、范例程序集和一個綜合API。 儀器軟件前面板是進行單點IV測量或為設備連續(xù)供電的理想之選。 內(nèi)置范例提供了現(xiàn)成的程序來生成一個或兩個SMU通道的輸出序列以及繪制響應圖表。 這些范例程序演示了從簡單的源測量配置到高級半導體組件掃頻和IV特性分析等各種概念。 范例通常作為LabVIEW軟件中大型或高度自定義項目或者測試序列的構(gòu)建塊。

圖5. 使用改進的用戶界面分析晶體管特性的范例程序

NI SMU針對LabVIEW、LabWindows/CVI和Measurement Studio等編程環(huán)境進行了優(yōu)化。 開發(fā)和測試的緊密集成可確保NI SMU提供了比傳統(tǒng)第三方臺式儀器更出色的用戶體驗。 用戶可以通過一種編程語言來使用NI SMU的所有功能，而不是使用各種可編程儀器的標準指令（SCPI）、LabVIEW VI和/或腳本語言。 下表列出了NI SMU的部分軟件特性：

內(nèi)置測量選板

范例程序

集成了詳細的LabVIEW幫助文檔

全面的錯誤處理和消息

SMU到主機之間的透明數(shù)據(jù)流

6. 下一步

NI SMU提供了各種硬件選項和靈活軟件，專為解決各種實驗特性分析和自動化測試應用需求而設計。 NI SMU在緊湊的外形結(jié)構(gòu)中提供了傳統(tǒng)臺式SMU的測量質(zhì)量，使您能夠在單個PXI機箱中構(gòu)建高達68個通道的高通道數(shù)系統(tǒng)。 SourceAdapt等技術可確保SMU針對純阻性到高容性等任意負載生成快速穩(wěn)定的響應。