1. Fidélité
La caractéristique la plus notable qui différencie une SMU d’un bloc d'alimentation standard est sa fidélité. La fidélité est la répétabilité ou la reproductibilité de la mesure. Lorsque l'on parle de fidélité de l’instrumentation, il faut garder à l'esprit deux éléments clefs connexes : la sensibilité et la résolution.
Sensibilité
La sensibilité est définie comme le changement le plus faible détectable qui peut se mesurer (ou être généré) par un instrument. En d’autres termes, la sensibilité est la plus petite incrémentation qui peut être appliquée à la sortie ou être détectée à l’entrée d’un matériel. Les SMU obtiennent une sensibilité supérieure à celle des alimentations standard en offrant plusieurs gammes sur lesquelles elles peuvent se régler pour lire la tension et le courant de façon optimisée.
Résolution
La résolution est l'incertitude maximale d'une source ou d'une mesure données. Les SMU ont des résolutions pour la génération et la mesure qui sont égales ou inférieures à 0,1 % par rapport à la sortie à laquelle elles sont réglées (pour 5 V générés, on obtiendra une résolution inférieure ou égale à 0,005 V.
Ce sont la sensibilité et la résolution d'une SMU qui, considérées ensemble, vont finalement définir les performances de celle-ci dans une application donnée. Tandis que certaines applications se concentrent essentiellement sur la détection de changements infimes, d'autres se concentrent sur la certitude d'obtenir une valeur générée ou une mesure correcte. De manière générale, les SMU sont utilisées quand la résolution des valeurs générées et mesurées est importante, et que l'application nécessite une sensibilité qui va au-delà de ce que l'on peut trouver dans une alimentation programmable classique.
2. Détection déportée de la tension
L'effet que la résistance principale exerce sur la tension qu'utilise le circuit sous test est un véritable défi lorsque l'on doit générer ou mesurer précisément des tensions. Toujours présente, la résistance principale est cependant davantage marquée lorsque des câbles plus petits sont impliqués sur des distances plus longues. Bien qu’elles n’excèdent généralement pas plus de quelques ohms, ces petites résistances peuvent avoir un effet significatif sur la tension que reçoit un circuit sous test, particulièrement lorsque la résistance interne du circuit sous test est faible.
La Figure 1 présente le diagramme d’un circuit générique qui se compose d’une alimentation, de câbles/connecteurs et d’un circuit sous test. Dans ce cas précis, la résistance principale est censée être d’1 Ω pour les câbles de broches positifs et négatifs connectant la source de puissance au circuit sous test.
Figure 1. Diagramme de connexion d’une alimentation programmable typique
En imaginant que la source d'alimentation soit fixée à une sortie de 5 V et que le circuit sous test présente une impédance de 1 kΩ, vous pouvez calculer la tension réelle constatée aux terminaux du circuit sous test en utilisant l’équation suivante :
Dans le premier cas, la tension lue est égale à 4,99 V. Pour certains matériels, ce petit changement ne constitue pas un problème. Toutefois, pour des applications qui nécessitent une caractérisation précise basée sur la tension de fonctionnement, cette erreur peut prendre des proportions importantes. De surcroît, pour les matériels qui présentent des impédances d’entrée plus basses, vous pouvez réduire de façon importante le changement résultant dans la tension lue aux bornes. Le Tableau 1 liste les valeurs que l’exemple de circuit sous test lit en fonction des valeurs basses de son impédance d’entrée.
| Impédance circuit | Tension circuit |
| 1 kΩ | 4,99 V |
| 100 Ω | 4,9 V |
| 10 Ω | 4,16 V |
Tableau 1. Tensions lues par le circuit sous test en fonction de l’impédance d’entrée
La solution à l’erreur de tension induite par la résistance principale est la détection déportée, communément appelée la détection à quatre câbles. Cette technique explique la chute de tension dans la résistance principale en mesurant la tension directement dans le circuit sous test et en compensant en conséquence. Cette méthode s’apparente à la façon dont les multimètres numériques (DMM) effectuent des mesures de résistance à quatre câbles pour éliminer l'effet de la résistance principale des mesures de résistance. Les sources de puissance comme les DMM présentent deux terminaux supplémentaires sur la sortie pour permettre cette technique de détection déportée à quatre câbles, et ces terminaux supplémentaires sont connectés directement au circuit sous test. Bien qu’il subsiste une résistance principale dans les câbles utilisés pour la détection déportée, les mesures de tension sont d’impédance haute de sorte qu’aucun courant ne circule à travers les câbles de détection et qu'aucune chute de tension n’est observée.
Les SMU incluent habituellement une fonctionnalité de détection déportée pour exploiter pleinement la sensibilité de la tension offerte.
3. Fonctionnement à quatre quadrants (source et sink)
La souplesse de leurs sorties est une autre caractéristique importante des SMU. Les SMU ont des sorties à quatre quadrants, qui peuvent offrir une tension positive et du courant positif (quadrant 1), une tension négative et un courant positif (quadrant 2), une tension négative et un courant négatif (quadrant 3) et une tension positive et un courant négatif (quadrant 4). En règle générale, la fiche signalétique d’une SMU présente un diagramme de quadrant semblable à celle de la figure 2, présentant une tension et un courant maximum que vous pouvez appliquer à chacun des quatre quadrants.
Figure 2. Diagramme avec quadrants pour une SMU
Bipolaire
Pour qu’une alimentation ou une SMU soit catégorisée à quatre quadrants, elle doit être capable de générer aussi bien une tension positive que négative depuis les mêmes terminaux. C’est important pour caractériser la répartition dans les matériels actifs qui ont à la fois des caractéristiques avant et arrière importantes pour leur fonctionnement. Vous pouvez caractériser ces caractéristiques avant et arrière en utilisant une voie de sortie capable d'accommoder une tension de balayage avec aussi bien des valeurs négatives que positives.
Figure 3. Courbe I-V d'une diode Zener typique illustrant les caractéristiques de répartition avant et arrière
Absorption de courant
De même, pour qu'une alimentation ou une SMU soit catégorisée à quatre quadrants, elle doit être capable de générer de la puissance et de la récupérer. Générer la puissance revient à stimuler un circuit, et la récupérer revient à dissiper l'énergie appliquée par un composant actif externe comme une batterie, un condensateur chargé ou une autre source de puissance. Le fonctionnement à quatre quadrants est une capacité essentielle pour les applications qui nécessitent aussi bien la génération que la réception, comme le test du cycle de charge sur des piles rechargeables, le test de courants de court-circuit en sortie sur les broches d'un matériel à base de semi-conducteur numérique, ou la génération de puissance depuis un circuit intégré de gestion d'alimentation .
4. Balayage
L'une des principales applications des SMU est la caractérisation et la classification de divers composants électriques, de matériels à semi-conducteurs et de conceptions de circuits personnalisées. Une façon classique d’effectuer cette caractérisation consiste à balayer la tension ou le courant qui est généré vers le circuit sous test via une liste de valeurs. Un exemple classique de cette méthode de caractérisation consiste à tracer des courbes I-V pour les diodes et les transistors. Dans tous les cas, la tension est balayée sur les terminaux du circuit sous test et le courant obtenu est mesuré.
Figure 4. Caractérisation I-V d'un transistor avec NI LabVIEW et des SMU modulaires
5. Réponse transitoire
La rapidité de la réponse transitoire - à savoir à quelle vitesse et avec quelle précision l'instrument atteint sa sortie désirée - différencie également SMU et alimentation. Idéalement, la boucle de contrôle en sortie est réglée de façon à offrir un temps de montée très rapide sans dépassements ni oscillations ; cependant, il est impossible d'optimiser la boucle de contrôle de l'instrument sans connaître l'impédance du circuit sous test.
Les alimentations traditionnelles sont conçues pour générer un courant très stable à destination du circuit sous test sans sans trop se soucier du temps de montée de l'instrument. En faisant passer la stabilité avant la vitesse, les alimentations fournissent généralement du courant très fiable à toute une variété de circuits sous test (y compris des charges hautement réactives ou inductives). Spécialisées, les alimentations à régime transitoire rapide sont optimisées pour alimenter des appareils mobiles et des circuits intégrés pour la radiofréquence par exemple, qui consomment beaucoup de courant instantané (pics de courants) et exigent que l'instrument maintienne sa tension en sortie. Étant donné que ces instruments sont destinés à un groupe spécifique de circuits sous test, les fournisseurs connaissent suffisamment l'impédance de ces derniers pour régler la boucle de contrôle de façon à fournir une réponse transitoire rapide.
Comme les SMU sont utilisées dans un large éventail d'applications, en particulier pour des balayages I-V extensifs et des applications de test en production à grande échelle, elles ne peuvent pas se permettre d'ajuster la vitesse de la réponse transitoire à tous les types de charges. Les SMU traditionnelles utilisent des boucles de contrôle analogiques pour donner des informations sur la sortie, tandis que les toutes dernières SMU de NI implémentent cette boucle de contrôle de façon numérique. Les SMU avec boucles de contrôle analogiques concilient vitesse et stabilité, et offrent souvent deux modes de sortie ou plus, que vous pouvez utiliser en fonction de l'impédance des circuits sous test. Cela permet une certaine souplesse pour gérer les charges réactives, avec toutefois une limite inférieure à 50 uF, et la réponse transitoire est toujours soit plus lente que nécessaire soit plus rapide, ce qui génère des dépassements et des oscillations. Les SMU de NI avec boucles de contrôle numériques, en revanche, vous permettent de contrôler pleinement la réponse transitoire et de régler votre SMU en fonction de votre circuit sous test spécifique. En utilisant des SMU avec boucles de contrôle numériques, vous pouvez atteindre des temps de montée très rapides sans dépassements ni oscillations. Vous avez ainsi la garantie d'obtenir la réponse la plus rapide possible tout en maintenant la stabilité du système et en protégeant votre circuit sous test de conditions de surtension ou de surintensité. Ces SMU vous permettent également d'utiliser le matériel en tant qu'alimentation à régime transitoire rapide pour alimenter des circuits intégrés sans fil et des appareils mobiles.
Figure 5. Réponse transitoire personnalisable pour une SMU avec une boucle de contrôle numérique
La figure ci-dessus montre la sortie de trois types de SMU, pour fournir une tension d'1 V la plus stable possible à une charge de 100 nF. Étant donné que la SMU utilise une technologie de boucle de contrôle numérique appelée NI SourceAdapt, vous pouvez régler sa sortie en fonction de votre circuit sous test spécifique, au lieu de devoir vous accommoder d'une réponse transitoire prédéfinie et moins propre.
6. SMU multifonctions
Certaines SMU sont optimisées pour une application ou des spécifications particulières, comme le test de fuites, les balayages I-V haute puissance, ou pour alimenter des appareils mobiles avec une réponse transitoire rapide. Bien que ces instruments conviennent parfaitement pour remplir une fonction spécifique, il vous faudra probablement plusieurs SMU pour caractériser entièrement des matériels qui requièrent une variété de fonctionnalités ou de stimuli différents. Les SMU "système", en revanche, allient des capacités de génération et de mesure haute puissance, haute précision et grande vitesse au sein d'un seul et même instrument. Cela permet d'effectuer de nombreuses fonctions différentes et de tester une large gamme de matériels avec le même instrument. Cela simplifie la connectivité tout en réduisant le nombre d'instruments différents, l'encombrement du système de test et le coût global.
les SMU système ont une limite de courant continu élevée qui vous permet de générer et de mesurer les tensions et les courant élevés. De plus, bon nombre de ces SMU repoussent encore cette limite en implémentant une gamme d'impulsions étendue dans laquelle vous pouvez générer ou recevoir des impulsions haute puissance. Cette fonctionnalité supplémentaire est cruciale pour effectuer des balayages I-V haute puissance sans mettre en parallèle les sorties de plusieurs SMU pour atteindre une sortie de courant plus élevée. Alliant impulsions haute puissance et capacités de mesure de précision, les SMU système sont la solution idéale pour des matériels tels que les LED haute luminosité ou les transistors de puissance qui nécessitent des balayages I-V haute puissance et des mesures de courant faible.
Figure 6. Limite I-V d'une SMU système avec une limite d'impulsions étendue
La figure ci-dessus illustre la limite I-V d'une SMU système, avec une limite de courant continu de 20 W et une limite d'impulsion supplémentaire de 200 W et 500 W.
7. Conclusion
Les SMU offrent des performances améliorées par rapport aux alimentations basiques en garantissant une précision plus élevée, un fonctionnement à quatre quadrants et des caractéristiques spécialisées pour la caractérisation I-V. Fortes de cette fonctionnalité, elles sont des instruments essentiels pour les applications de caractérisation en laboratoire et de test automatique, tout particulièrement au sein de l'industrie des semi-conducteurs. Par ailleurs les SMU "système" sont conçus pour répondre à un large éventail d'applications en alliant des capacités de source et mesure haute puissance, haute précision et grande vitesse au sein d'un seul et même instrument. Cela simplifie la connectivité tout en réduisant le nombre d'instruments différents, l'encombrement du système de test et le coût global.