PDF1. Genauigkeit
Die auffälligste Eigenschaft, durch die sich eine SMU von einem Standardnetzteil unterscheidet, ist ihre Genauigkeit. Diese wird als Wiederholgenauigkeit und Wiederholbarkeit definiert. Im Zusammenhang mit der Genauigkeit von Messgeräten müssen zwei weitere Schlüsseleigenschaften in Betracht gezogen werden: Empfindlichkeit und Präzision.
Empfindlichkeit
Empfindlichkeit wird als die kleinste erkennbare Veränderung definiert, die von einem Gerät gemessen (oder geliefert) werden kann. Anders ausgedrückt ist die Empfindlichkeit die kleinste Steigerung, die am Ausgang eines Geräts eingestellt oder am Eingang erkannt werden kann. SMUs erreichen eine höhere Empfindlichkeit als Standardnetzteile, denn sie bieten mehrere Bereiche, in denen Spannung und Strom eingestellt und gelesen werden können. Die SMU NI PXI-4130 bietet beispielsweise fünf Strombereiche von 2 A bis 200 µA.
Präzision
Präzision ist die maximale Unsicherheit einer Quelle oder Messung. Absolute Präzision bezieht sich auf einen echten Messwert, der von einem Standard repräsentiert wird. SMUs haben in der Regel eine Präzision (sowohl für die Versorgung als auch die Messung) von 0,1 oder weniger Prozent des Ausgangspegels, auf den sie eingestellt werden. Der 200-µA-Bereich der SMU PXI-4130 bietet beispielsweise eine Genauigkeit von 0,03 %.
2. Dezentrale Spannungsmessung
Eine Herausforderung bei der präzisen Spannungsversorgung oder -messung ist der Effekt, den der Drahtwiderstand auf die Spannung hat, die ein Prüfling aufnimmt. Der Drahtwiderstand ist zwar immer vorhanden, ist aber am stärksten, wenn dünnere Drähte über größere Distanzen hinweg im Spiel sind. Obwohl sie meist nur wenige Ohm betragen, können diese kleinen Widerstände großen Einfluss auf die Spannung für einen Prüfling haben, v. a. wenn der interne Widerstand des Prüflings gering ist.
Abbildung 1 zeigt ein Diagramm eines allgemeinen Schaltkreises, der aus einem Netzteil, Verbindungskabeln und einem Prüfling besteht. In diesem Fall beträgt der angenommene Drahtwiderstand der Verbindungskabel 1 Ω.
Abbildung 1: Schaltplan eines typischen programmierbaren Netzteils
Wird der Ausgang des Netzteils beispielsweise auf 5 V eingestellt und besitzt der Prüfling einen Widerstand von 1 kΩ, lässt sich die tatsächliche Spannung an den Anschlüssen des Prüflings mit folgender Gleichung berechnen:
VPrüfling = VNetzteil x RPrüfling/RPrüfling+RDraht
In diesem Fall beträgt die resultierende Spannung lediglich 4,99 V. Bei manchen Geräten spielt diese geringe Abweichung keine Rolle. Bei Anwendungen, die eine präzise Charakterisierung basierend auf der Betriebsspannung erfordern, kann dieser Fehler allerdings bedeutende Konsequenzen haben. Deutlich gravierender ist dieser Effekt bei Geräten mit einem niedrigeren Eingangswiderstand. Tabelle 1 zeigt, basierend auf niedrigeren Werten des Eingangswiderstands, die an einem Prüfling gemessenen Werte.
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Widerstand des Prüflings |
Spannung am Prüfling |
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1 kΩ |
4,99 V |
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100 Ω |
4,9 V |
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10 Ω |
4,16 V |
Tabelle 1: Spannungen am Prüfling basierend auf dem Eingangswiderstand
Der beste Weg, um durch Drahtwiderstand hervorgerufene Fehler zu vermeiden, ist die 4-Draht-Messung. Diese Technik führt zu einem Spannungsabfall über den Drahtwiderstand, indem die Spannung direkt am Prüfling gemessen und entsprechend ausgeglichen wird. Diese Methode ähnelt dem Vorgang, wie Digitalmultimeter (DMMs) 4-Draht-Widerstandsmessungen durchführen. Sowohl Netzteile als auch DMMs verfügen am Ausgang über zwei zusätzliche Anschlüsse, welche diese dezentrale 4-Draht-Messung ermöglichen und direkt mit dem Prüfling verbunden sind. Auch diese Anschlüsse haben einen Drahtwiderstand. Da aber kein Strom durch diese Leitungen fließt, kommt es nicht zum Spannungsabfall.
SMUs ermöglichen in der Regel 4-Draht-Messungen, so dass ihre zusätzliche Empfindlichkeit bezüglich Spannung optimal genutzt wird. Die SMU PXI-4130 ermöglicht 4-Draht-Messungen, die über Software einfach aktiviert und deaktiviert werden können.
3. Vier-Quadranten-Betrieb (Quelle und Senke)
Eine weitere Eigenschaft von SMUs ist die Flexibilität ihrer Ausgänge. SMUs haben Vier-Quadranten-Ausgänge, die positive Spannung und positiven Strom (1. Quadrant), negative Spannung und positiven Strom (2. Quadrant), negative Spannung und negativen Strom (3. Quadrant) oder positive Spannung und negativen Strom (4. Quadrant), bereitstellen können. Auf dem Datenblatt einer SMU ist ein ähnliches Schaubild wie in Abbildung 2 zu finden, das jeweils die maximale Spannung und den maximalen Strom darstellt, die in jedem der vier Quadranten angewendet werden können. Die Quadranten, in denen die SMU als Stromsenke fungiert, zeigen eine durchgehende Kurve, welche die anhaltende Verlustleistung darstellt und eine gepunktete Linie, welche für die Möglichkeit steht, Strom im Pulsmodus zu ziehen. Diese Unterscheidung ist wichtig, denn die kontinuierliche Verlustleistung des SMU kann erheblich geringer sein als die gepulste Verlustleistung desselben Geräts.
Der Vier-Quadranten-Betrieb ist wichtig für Anwendungen, die sowohl Quelle als auch Senke benötigen, wie etwa der Test von Ladezyklen von Akkus oder von Kurzschlussströmen an Ausgängen von Pins auf einem digitalen Halbleitergerät. PXI-4130 kann im 1. und 3. Quadranten bis zu 40 W zur Verfügung stellen und im 2. und 4. Quadranten bis zu 10 W ziehen.
Abbildung 2: Quadrantendiagramm für Kanal 1 der SMU NI PXI-4130
Bipolar
Damit ein Netzteil oder eine SMU für den 4-Quadrant-Betrieb klassifiziert wird, muss es sowohl positive als auch negative Spannungen von denselben Anschlüssen zur Verfügung stellen können. Dies ist wichtig, um die Durchschlagsspannung in aktiven Geräten zu charakterisieren, welche Durchlass- und Sperreigenschaften aufweisen, die wichtig für ihren Betrieb sind. Solche Durchlass- und Sperreigenschaften lassen sich mithilfe eines Ausgangskanals, der Sweep-Spannungen von negativen bis zu positiven Werten unterbringen kann, charakterisieren. Die SMU PXI-4130 stellt auf ihrem bipolaren SMU-Kanal bis zu +20 V und -20 V zur Verfügung.
Abbildung 3: IV-Kurve einer typischen Zener-Diode, die sowohl Durchlass- als auch Sperrspannungen zeigt
Senke
Ein Netzteil muss auch in der Lage sein, als Stromquelle oder -senke zu fungieren, wenn es für den 4-Quadranten-Betrieb klassifiziert werden soll. Eine Stromquelle gibt Strom, das heißt, sie liefert den Stimulus für einen Schaltkreis. Eine Stromsenke zieht Strom, d. h. sie nimmt Energie auf, die von einer externen aktiven Komponente wie etwa einer Batterie, einem geladenen Kondensator oder einer anderen Stromquelle abgegeben wird. Ein 4-Quadranten-Netzteil kann so konfiguriert werden, dass es einen Kondensator oder eine Batterie entlädt, indem es als Stromsenke eingestellt wird. PXI-4130 kann beispielsweise bis zu 10 W Strom ziehen.
4. Sweeps
Eine gängige SMU-Anwendung ist die Charakterisierung und Klassifizierung von elektrischen Bauteilen, Halbleitern und anwenderdefinierten Chipdesigns. Eine häufige Methode der Charakterisierung sind Sweeps von Spannung oder Strom, der dem Prüfling zur Verfügung gestellt wird, durch verschiedene Werte. Ein klassisches Beispiel für diese Methode ist das Verfolgen von IV-Kurven für Dioden und Transistoren. In beiden Fällen geschieht ein Spannungs-Sweep über die Anschlüsse des Prüflings, wobei der resultierende Strom gemessen wird.
Es gibt verschiedene Arten von Sweeps: lineare, logarithmische sowie anwenderdefinierte, DC- oder gepulste Sweeps. Diese SMU führt Spannungs- und Strom-Sweeps mit bis zu 3000 S/s durch, während resultierende Spannung und Strom gemessen werden. Darüber hinaus bietet PXI-4130 einen zusätzlichen Kanal, der sich als programmierbares Netzteil für bis zu 6 V und 1 A einsetzen lässt. Mit diesem Kanal kann der Basisstrom für einen Bipolartransistor oder die Steuerspannung für einen MOSFET zur Verfügung gestellt werden. Abbildung 4 zeigt die SMU PXI-4130 beim Sweep von IV-Kurven auf einem Bipolartransistor mithilfe der neuen Softwareumgebung NI LabVIEW SignalExpress.
Abbildung 4: IV-Charakterisierung auf einem Bipolartransistor mit der SMU PXI-4130
5. Programmierbare Netzteile und SMUs für PXI
National Instruments bietet zwei Präzisionsquellen für PXI: das programmierbare Netzteil PXI-4110 und die SMU PXI-4130. In einem einzelnen 3U-PXI-Modul bieten diese Geräte eine höhere Genauigkeit als die meisten konventionellen Netzteile. Abbildung 5 zeigt einen Vergleich der zwei NI-Module mit traditionellen programmierbaren Netzteilen bezüglich der Empfindlichkeit bei Strommessungen.
Abbildung 5: Vergleich von Preis und Präzision von Netzteilen und SMUs
