NI SourceAdapt​技术:​新一代​源​测量​单元​技术

概览

源​测量​单元 (SMU)​是​用于​测试​各种​设备​的​电流​电压​(I-​V)​特性​的​重要​仪器。​这些​设备​包括​从​晶体​管​等​电子​元​器件​到​随身​听​或者​医疗​设备​等​集成​电子​产品。
​NI SourceAdapt​技术​源自​美国​国家​仪器​公司​(National Instruments),​作为​4 通道​NI PXIe-414x​精密​源​测量​单元​系列​产品​的​代表​首次​出现。​该​技术​是​基于​数字​控制​循环​(而​非​传统​模拟​控制​循环)​的​新一代​SMU​技术。​借助​于​NI SourceAdapt​技术,​您​可以​针对​任意​负载​自​定义​SMU​响应,​从而​实现​最短​上升​时间​的​理想​响应,​而​不会​出现​过​压​或​振荡。​本文​将​为​您​简要​介绍​一下​SourceAdapt​技术​的​真实​面目。

目录

  1. 导言
  2. 传统​模拟​控制​循环​的​局限性
  3. 理解​SourceAdapt​技术​背后​的​构架
  4. 无功​负载​条件下
  5. 使用​反馈​补偿器
  6. 结论

导言

源​测量​单元​采用​闭​环​反馈​控制,​以​确保​编​程​的​源​值​(设定​值)​正确​地​应用​于​待​测​负载。​传统​的​源​测量​单元​使用​模拟​硬件​来​实现​控制​循环,​但是​这种​方式​有得有失。​例如,​针对​高速​测试​的​宽​带​源​测量​单元​通常​不​适合​用于​测试​需要​高​稳定​性的​高​电容​负载。​另一方面,​针对​高​电容​负载​测试​的​源​测量​单元​也​不太​适合​用于​高速​测试。​事实​上,​大​多数​传统​的​源​测量​单元​通常​是​针对​高速​测试​或​高​稳定​性​测试​而​设计​的。​即便​如此,​获得​最佳​响应​仍然​十分​困难,​因为​设计​刚好​能够​为​不同​负载​提供​正确​响应​的​电路​本身​就​特别​困难。

NI SourceAdapt​技术​可​帮助​您​自​定义​调整​针对​给​定​负载​的​源​测量​响应,​从​根本​上​解决​了​这个​问题。​这​提供​了​最佳​源​测量​单元​响应,​同时​也​可​实现​最短​的​稳定​时间,​从而​缩短​了​等待​时间​和​测试​时间。​此外,​该​技术​不仅​消除​了​过​压,​保护​了​待​测​设备​(DUT),​而且​也​消除​了​振荡,​确保​了​系统​的​稳定​性。

由于​源​测量​单元​响应​的​调整​是​通过​编​程​软件​来​完成​的,​您​可以​轻松​地​将​针对​高速​测试​的​源​测量​单元​重新​配置​为​针对​高​稳定​性​测试​的​单元 这样​可以​最大​化​您​的​测试​设备​投资​回报,​以及​获得​更好​的​测试​结果。

图 1. 源​测量​单元​的​电容​负载​响应:​NI SourceAdapt​技术​使​您​可以​对​响应​进行​自​定义​(红​线​所​示),​以​实现​最大​稳定​性​和​最短​瞬​态​响应​时间

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传统​模拟​控制​循环​的​局限性

最​根本​的​问题​在于​负载​会​直接​影响​用于​调节​输出​电压​或​电流​的​控制​循环​传递​函数。​由此​可见,​要​获得​理想​的​响应,​给​定​负载​需​具备​可​配置​性。

过去,​测试​仪器​供应​商​采用​不同​的​方式​来​实现​可​配置​的​传递​函数。​在​传统​的​方式​中,​供应​商​在​控制​循环​的​反馈​路径​内外​引入​了​切换​电抗​元件,​这种​方法​的​局限性​在于​它的​效果、​可​配置​性​以及​可​扩展​性。​在​SourceAdapt​技术​可​实现​的​范围​内,​真正​的​自​定义​补偿​需要​我们​彻底​重新​考虑​如何​构​建​源​测量​单元​控制​循环。

源​测量​单元​的​控制​循环​是​两​个​封闭​控制​循环​的​叠​加:​一个​电流​闭​环​和​一个​电压​闭​环。​图​2a​展示​了​传统​源​测量​单元​的​构​架​理念。

图 2a. 传统​源​测量​单元​简易​图 注意:​控制​循环​(V-​I Control)​是​采用​模拟​硬件​组​件​实现​的,​所以​可​配置​性​非常​有限。

V-​I Control​为​电流​和​电压​赋予​了​设定​值,​其​闭​环​反馈​机制​可以​精确​地​控制​输出​电压​和​电流,​使​其​符合​设定​值。​整个​控制​循环​是用​放大器​以及​其他​一些​有源​模拟​硬件​来​实现​的。​反馈​信号​由​模数​转换​器​(ADC)​读​取,​从而​提供​了​高​精度​测量。​如果​要​改变​构​架​的​补偿​模式,​则​需要​添加​分立​的​电抗​元件。​从​某种​程度​上​说,​可以​通过​使用​开关​以​编​程​方式​来​实现​此类​调整,​但是​这种​方法​是有​局限性​和​缺陷​的。​这种​方法​至多​只能​让​您​从​几个​可能​实现​的​配置​方案​中​选择​一个​来​实施。​这​并​不能​满足​针对​给​定​负载​优​化​源​测量​单元​响应​的​要求。​那么,​如何​才能​随​心​所​欲​地​配置​控制​循环​呢?​答案​就​在于​采用​全新​的​构​架,​如​图​2b​所​示。

图 2b. 全新​的​NI​源​测量​单元​构​架 注意:​控制​循环​(V-​I Control)​转移​到​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​的​数字​域内。

在​这个​新​构​架​中, V-​I Control​转移到现场​可​编​程​门​阵列(FPGA)​的​数字​域内。​与​模拟​控制​循环​不同,​数字​控制​循环​可​完全​通过​软件​进行​配置,​因而​我们​可以​通过​优​化​控制​循环​来​实现​针对​现有​负载​的​理想​响应。​控制​循环​的​多样​化​实现​方式​使得​SourceAdapt​技术​成为​可能提供​针对​任意​负载​的​自​定义​源​测量​单元​响应。

图 3. 全新​的​数字​V-​I Control​实现​模式

V-​I Control​包含​一个​积分​器​(用于​为​回路​提供​直流​精确​度​和​一般​调节​功能)​以及​一个​用于​实现​自​定义​补偿​的​零​极​点​滤波​器。​这​两​个​模​块​都是​用户​可​配置​的,​所​具有​的​可​配置​性​是​模拟​控制​循环​无法​企及​的。​同时,​借助​于​快速​模数​转换​器​和​数​模​转换​器​以及​FPGA​的​处理​能力,​整个​回路​完全​可​满足​精确​源​测量​应用​的​需求。​最终,​我们​实现​了​一个​可​配置​性​非常​强​的​架构,​而且​无​需​牺牲​性能。

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理解​SourceAdapt​技术​背后​的​构架

基于​SourceAdapt​技术,​新​构​架​通过​两​种​方式​实现​了​对​传递​函数​的​调节:​其​一是​调节​积分​器​的​带​宽​增益​积​(GBW);​第二​种​方式​是​将​反馈​补偿​器​作为​超前​或者​滞​后​补偿​器​使用,​这样​您​就​可以​在​任意​频率​为​传递​函数​添加​零​极​点​对。

增益-​带​宽​调节

输出​路径​上​的​积分​器​提供​了​一个​开​环​传递​函数,​看上去​类似​于​波特​量​(增益​裕度[1])​和​相位​裕度[2] 图​上​运算​放大器​的​开​环​传递​函数。

图 4a. 积分​器​开​环​传递​函数​(左:​增益​裕​度;​右:​相位​裕​度)

图 4b. 空​载​输出​时​对应​的​1 V​阶​跃​响应​(对应​图​4a​的​传递​函数)

通过​调节​积分​器​的​增益​或者​回路​的​增益​带​宽​积,​就​可以​调整​回路​的​总体​响应,​使​响应​行为​变得:

  • 更慢​但​更​稳定,​例如​采用​3 kHz​的​带​宽​增益​和​87.34​的​相位​裕​度​(参见​图​5a​和​5b)
  • 更​快速,​例如​采用​20 kHz​的​带​宽​增益​(参见​图​6a​和​6b)

图 5a. 3 kHz​增益​带​宽​积​和​87.34​相位​裕​度​时​的​响应​较​为​缓慢,​但​更​稳定

图 5b. 空​载​输出​时​对应​的​1​V​阶​跃​响应​(对应​图​5a​的​传递​函数)

 

图 6a. 20kHz​增益​带​宽​积​和​72.23​相位​裕​度​时​的​响应​较​快速

图 6b. 空​载​输出​时​对应​的​1V​阶​跃​响应​(对应​6a​的​传递​函数)

 

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无功​负载​条件下

如果​要​使​较​不​稳定​的​无功​负载​变得​较​为​稳定,​只需​减慢​回路​的​运行​速度​即可​实现。​图​7a​和​7b​显示​了​使用​电容​作为​负载​的​控制​循环​的​行为。​电​容器​产生​极性​时​的​频率​与​电容​和​输出​阶段​分流​电阻​成反比,​此时​增益​和​相位​也​会​受到​影响。​图​7a​展示​了​负载​为​0.1 µF​电​容器​时​的​开​环​频率​响应。​图​7b​显示​了​相应​的​阶​跃​响应。

图 7a. 0.1 µF​电容​作为​负载​时​开​环​传递​函数​临界​稳定

图 7b. 0.1 µF​电​容器​负载:​对应​的​1 V​阶​跃​响应

图​7b​所​示​的​响应​为​欠​阻尼​响应,​产生​了​过​压,​且​需要​较​长​时间​才能​达到​稳定​状态。​调节​增益​带​宽​积​可以​使​系统​具有​更好​的​表现。​如果​您​最​希望​实现​的是​完全​消除​过​压,​则​可以​通过​减慢​回路​的​运行​速度​来​获得​响应,​而不​产生​任何​过​压。​图​8a​和​8b​显示​了​增益​带​宽​积​为​500 Hz​的​缓慢​响应,​可​完全​消除​过​压。

图 8a. 500 Hz​增益​带​宽​积​时​的​开​环​传递​函数​(负载:​0.1 µF​电​容器)

图 8b. 500 Hz​增益​带​宽​积​时​对应​的​1 V​阶​跃​响应​(上升​时间​约​为​1 ms)

尽管​消除​了​过​压,​但​系统​响应​变得​很慢。​为了​获得​最优​响应,​可​采用​第二​种​方法​来​调节​传递​函数:​使用​反馈​补偿​器​(作为​超前​或者​滞​后​补偿​器)

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使用​反馈​补偿器

SourceAdapt​技术​提供​了​另​一种​工具​来​优​化​响应:​反馈​补偿​器。​我们​继续​沿用​前面​的​例子,​我们​的​目标​是​实现​快速​上升​时间​的​同时​避免​过​压​和​振荡。​这个​目标​可以​通过​使用​补偿​器​来​抵消​由​电​容器​产生​的​极​效应​来​实现。​采用​这种​控制​方式,​我们​可以​进一步​增大​增益​带​宽​积,​在​保持​稳定​的​同时​来​获得​更​短​的​上升​时间。​图​9a​对比​了​增益​带​宽​积​增加到​20 kHz​时,​使用​补偿​器​和​不​使用​补偿​器​两​种​情况​下​的​增益​裕​度​和​相位​裕​度​响应​的​对比。

图 9a. 有​无​补偿​器​时​的​开​环​传递​函数​对比​(增益​带​宽​积:​20 kHz;​负载:​0.1 µF​电​容器)

图 9b. 增益​带​宽​积​为​20 kHz​和​使用​补偿​器​时​对应​的​1 V 阶​跃​响应​(上升​时间:​~100 µs)

如​图​9b​所​示,​该​响应​非常​理想:​上升​时间​减少​了​10X,​没有​过​压,​稳定​性​优良​——​相位​裕​度​为​45°​左右。

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结论

本文​描述​了​配置​源​测量​单元​传递​函数​以​针对​各种​负载​提供​理想​响应​的​必要性,​以及​如何​借助​全新​的​NI SourceAdapt​技术​来​实现​理想​的​可​配置​性。​基于​SourceAdapt​技术,​您​现在​可以​针对​任意​负载​完全​自​定义​源​测量​单元​响应,​以​获得​最短​的​上升​时间,​且​不会​出现​任何​过​压​和​振荡。​您​还​可以​更​快速​地​测试​待​测​设备,​而且​不会​出现​意外​损坏​或者​破坏​系统​稳定​性的​风险。

NI LabVIEW​嵌入式​技术​的​最新​发展​将​LabVIEW​图形​化​开发​环境​的​应用​扩展​至​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA),​使得​SourceAdapt​技术​成为​可能。


[1] 增益​裕​度​是​指导​致​系统​不​稳定​的​开​环​增益​变化​范围。
[2] 相位​裕​度​是​指导​致​闭​环​系统​不​稳定​的​开​环​相​移​变化​范围。

 

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