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最快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器
測試設備制造商總是盡力推動從SMU每秒讀出更多的讀數(shù)。SMU的數(shù)字引擎得到升級，通信信道的帶寬增加，但最終提高速度最有效的方法就是降低測量本身的時間。由于卓越的抗噪能力，大多數(shù)SMU使用積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來進行測量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結(jié)果。然而，從積分ADC得到的測量的質(zhì)量直接與時間相關，因為它被迫運行的很快，因此測量的質(zhì)量被降低。
測試設備制造商總是盡力推動從SMU每秒讀出更多的讀數(shù)。SMU的數(shù)字引擎得到升級，通信信道的帶寬增加，但最終提高速度最有效的方法就是降低測量本身的時間。由于卓越的抗噪能力，大多數(shù)SMU使用積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來進行測量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結(jié)果。然而，從積分ADC得到的測量的質(zhì)量直接與時間相關，因為它被迫運行的很快，因此測量的質(zhì)量被降低。
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通過將輸入信號的值轉(zhuǎn)換為輸入電壓電平給電容充電的時間和反極性參考電壓給電容放電的時間之間的關系，那么積分ADC能夠產(chǎn)生杰出的測量結(jié)果。對于一個標準雙斜率積分ADC，這種關系表示為Vin = VREF（td / tc），其中Vin是被測信號，Vref是參考電壓，td是電容放電時間，tc是電容充電的時間。通過對電容充電一段時間，輸入信號的噪聲尖峰經(jīng)過平均后輸出，因此在測量中最大程度地減少了噪聲，提高了精度。對充放電周期中固定速率時鐘的時鐘周期進行計數(shù)，以此來測量電容進行充放電的時間。假定tc和td為時鐘周期數(shù)，由這個方程可以看出，精度是由電容充電（tc）的時間所提供的。當允許流過更長時間時，tc計數(shù)變得更大，它提高了參考電壓（Vref）被拆分的步長數(shù)。簡單地說，tc計數(shù)變長，測量的分辨率將會增加。
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從這個等式可以看到儀器制造商可控制的變量是充電時間（tc）。為了加快測量，有必要允許積分ADC具有更少的充電時間，但是這樣做會降低測量的分辨率。吉時利數(shù)字源表儀器使用積分ADC，但是為了應對速度提升帶來的分辨率的損失，他們引入了具有增強型多斜坡降低方法的積分ADC來替代更多的傳統(tǒng)的雙斜率方法。增強型多斜率下降積分ADC采用了多種創(chuàng)新技術以加快放電時間，允許在不降低充電時間的前提下提高速度，這樣就保證了最終的測量分辨率。這種類型的積分ADC如何工作已超出本文的范圍，但可在其它地方找到完整的描述。使用多斜率下降方法的創(chuàng)新技術允許吉時利使用積分型ADC的 SMU得到業(yè)界最快的高分辨率讀數(shù)。
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吉時利2600A系列數(shù)字源表儀器使用增強型多斜率下降積分型ADC，具有每秒讀取20000個讀數(shù)的能力。然而，對于需要更快測量的應用，積分ADC損失了分辨率和精度，因此必須使用不同類型的ADC。
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吉時利型號2651A高功率源表儀器包含一個積分ADC和18位高速數(shù)字化ADC，具有每秒讀出高達百萬個讀數(shù)的能力。使用此高速ADC，2651A具有市面上所有SMU中最高的讀出速率，同時仍保持高的測量分辨率。
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圖3：型號2651A的18位高速數(shù)字化ADC捕獲300微秒50A的脈沖
圖3解釋了型號2651A高數(shù)字化ADC的能力。此ADC使用400個采樣和一微秒的時間間隔，使得它可以完整捕獲全部300微秒50A的脈沖。有了這樣的功能，型號2651A不需要額外的測試設備，也可以準確地捕捉設備的瞬態(tài)及熱效應。
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多通道的可擴展性
無論單個SMU可能的速度有多快，當集成到系統(tǒng)中性能降低的話，它的優(yōu)點也被浪費。部件SMU本質(zhì)上較少受這個問題的影響，這要歸功于他們的高速及通過PCI或PCIe背板（133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1）連接到主機系統(tǒng)的低延遲。相反地，基于儀器的SMU是通過外部總線如GPIB和主機系統(tǒng)進行通信，GPIB的速度只是背板速度（1.8MB / s標準）的一小部分。吉時利的工程師在設計2600A系列源表儀器時意識到了這點，并通過使用測試腳本處理器（TSP?）使其脫離主機系統(tǒng)自主運作，并通過稱為TPS-Link?的技術的高速、低延遲總線進行相互通信和同步。
無論單個SMU可能的速度有多快，當集成到系統(tǒng)中性能降低的話，它的優(yōu)點也被浪費。部件SMU本質(zhì)上較少受這個問題的影響，這要歸功于他們的高速及通過PCI或PCIe背板（133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1）連接到主機系統(tǒng)的低延遲。相反地，基于儀器的SMU是通過外部總線如GPIB和主機系統(tǒng)進行通信，GPIB的速度只是背板速度（1.8MB / s標準）的一小部分。吉時利的工程師在設計2600A系列源表儀器時意識到了這點，并通過使用測試腳本處理器（TSP?）使其脫離主機系統(tǒng)自主運作，并通過稱為TPS-Link?的技術的高速、低延遲總線進行相互通信和同步。
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傳統(tǒng)的基于儀器源測量單元（SMU）要求每次從主機的一條總線傳送一個命令，因為所有儀表共用一條總線，每次只能供一個儀表使用和通信。由于總線速度緩慢，大部分時間用于在總線和儀表之間發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，而其他儀表經(jīng)常閑置。TSP技術允許儀器自主運行主機系統(tǒng)的測試腳本，幾乎省去了傳輸指令的時間。一旦腳本裝入基于TSP的源測量儀表，就可以執(zhí)行整個測試序列，主機只需要傳送一個命令：指示儀器運行腳本。
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圖4：TSP-Link網(wǎng)絡實例，含3個源數(shù)據(jù)儀表
TSP-Link省去了連接多個源數(shù)據(jù)儀表的需求，只需一條帶寬有限的GPIB總線就可以滿足需求。有了TSP-Link技術，只需將一個源數(shù)據(jù)儀表與GPIB總線相連，其他源數(shù)據(jù)儀表則與“菊花鏈”配置（通過便宜的CAT5e交叉線連接）相連。首先，通過TSP-Link技術將其他源數(shù)據(jù)儀表連接，這些儀表的源測量單元（SMU）以第一個源數(shù)據(jù)儀表的額外源測量單元（SMU）通道形式出現(xiàn)，通過在第一個源數(shù)據(jù)儀表上運行腳本就可以快速訪問。
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與組件源測量單元（SMU）不同，利用TSP-Link技術實現(xiàn)的通道擴展不限于主機的少數(shù)插槽。TSP-Link技術的無主機擴展最多允許連接32個儀表，有可能創(chuàng)建一個包含64個源測量單元（SMU）通道的系統(tǒng)。此外，由于源測量單元（SMU）是基于儀表的，可用電源數(shù)量不限于底板提供的電源。即使在基于大功率組件源測量單元（SMU）系統(tǒng)中，某些型號也只能提供最大84W的電源。通過接口TSP-Link可以連接32個2651A型大功率源數(shù)據(jù)儀表，這樣創(chuàng)建的系統(tǒng)就可以提供6.4kW直流電源。
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TSP-Link技術提供了一流的系統(tǒng)擴展方法，不需要昂貴的GPIB適配器和線纜，而且通過大量減少儀表與主機之間通信數(shù)量，可以提高系統(tǒng)吞吐量。不過，TSP-Link技術的真實功率在于其同步運行多個測試提高吞吐量的能力。除了源測量單元（SMU），無論它們是在底板上基于組件的SMU還是在GPIB總線上基于儀表的SMU，訪問總線是受限的，主機每次必須向每個SMU發(fā)送命令。為系統(tǒng)增添更多的SMU意味著增加主機必須處理的器件數(shù)量，主機必須向其發(fā)送命令。由于在這些系統(tǒng)中，每次只能向一個SMU發(fā)送命令，因此所有測試都必須按順序進行。
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再通過TSP-Link接口連接的系統(tǒng)中，可以對網(wǎng)絡中的儀表進行分組，每組擁有自己的測試腳本處理器，能夠與系統(tǒng)中的任何其他組并行運行腳本。分組中可以包括單一源數(shù)據(jù)表或多個源數(shù)據(jù)表，而且通常可以根據(jù)測試器件所需的SMU通道數(shù)量進行分組。例如，如果正在測試的器件是一個四端口（柵極、漏極、源極、基極）MOSFET，對晶圓進行測試，而且每個管腳需要一個SMU，那么可以將其分組為兩個雙通道源數(shù)據(jù)表，如2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表。一旦確定分組而且為每組指定運行的腳本，主機就可以通過一個命令指示所有組開始并行運行。由于在內(nèi)存中已經(jīng)存儲每組的腳本，主機只需再次發(fā)送命令就可以進行反復測試。
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以晶片上的4端口MOSFET為例，假設一個TSP-Link網(wǎng)絡包括一個組以及一個完整的測試序列，步驟如下：
- 主機發(fā)送開始執(zhí)行的命令。
- 腳本運行并對器件進行一系列完整的測試。
- 數(shù)據(jù)反饋至主機，同時探測臺將探針移至下一個測試點。
如果整個序列需要1秒鐘完成，那么照此速度，每分鐘就可以測試60個點位。如果為TSP-Link網(wǎng)絡添加另外一組，測試仍然只需1秒鐘完成。不過，增加第二組后，有可能對兩個器件并行測試，因此吞吐量將翻倍，即每分鐘測試120個點位。利用TSP-Link技術，只需為網(wǎng)絡添加分組，就可以提高系統(tǒng)吞吐量。
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支持最大性能的I/O連接器
吉時利工程師為源數(shù)據(jù)表選擇了輸入/輸出連接器，旨在為目標應用提供最大性能。對于中級信號范圍，banana連接非常適合傳輸信號并提供最大的易用性，這也是2400 系列源數(shù)據(jù)表提供這種連接的原因。不過，對于那些電流很大或很小的應用H，banana連接則不能支持所需的性能等級，因襲必須使用其他連接器。
對于像2651A型大功率源數(shù)據(jù)表這樣的大電流源數(shù)據(jù)表，其直流電流高達20A，脈沖電流高達50A。
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常見的banana連接器的額定電流是15A，接觸電阻高達10 mΩ。在50A電流時，僅這個接觸電阻就將帶來0.5V的壓降。吉時利選擇使用性能更優(yōu)的菲尼克斯連接器，其額定電流高達76A DC。這種連接器的電流容量額定值不僅足以滿足2651A型儀表需求，而且其接觸電阻非常低，不會在測試引線產(chǎn)生過大的壓降，從而實現(xiàn)了性能最大化，減緩上升和穩(wěn)定時間。菲尼克斯連接器的額定接觸電阻僅為0.3 mΩ，在50A電流時的壓降僅為15mV。為了便于器件連接，連接器與螺旋式接線柱已進行匹配，提高了易用性。
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對于電流低于1毫微安培的應用，選擇泄露電流最小并支持所需電壓的連接器非常重要。這也是吉時利公司的源數(shù)據(jù)表，如237型高壓源測量單元、2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表以及6430型亞FA程控數(shù)據(jù)源表，都使用三軸連接器的原因。標準的三軸連接器可以在1500V高壓下安全運行，并涵蓋這些儀表的輸出電壓容量。不過，使用三軸連接器的最大益處是將漏電流減到最小，實際上通過保護測試信號，幾乎可以杜絕漏電流。
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工商網(wǎng)監(jiān)
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