NI SourceAdapt 차세대 SMU 기술

개요

소스 측정 유닛(SMU)은 트랜지스터와 같은 전자 구성 요소에서 휴대용 음악 플레이어 또는 의료 기기와 같은 통합형 전자 제품에 이르기까지 광범위한 디바이스의 전류 전압(I-V) 특성을 테스트하는 데 사용되는 중요한 인스트루먼트입니다.

4채널 NI PCIe-414x 정밀 SMU에 최초로 적용된 National Instruments의 NI SourceAdapt 기술은 기존의 아날로그 컨트롤 루프 대신 디지털 컨트롤 루프로 구동되는 차세대 SMU 기술입니다. NI SourceAdapt 기술을 사용하면 SMU 응답을 모든 로드에 맞춰 완벽하게 사용자 정의할 수 있어 상승 시간을 최소화하고 오버슛 또는 진동 없는 최적의 응답을 얻을 수 있습니다. NI SourceAdapt는 현재 모든 NI 정밀 시스템 SMU에 탑재되어 있습니다. 이 문서를 통해 SourceAdapt 기술의 간략한 뒷이야기를 들을 수 있습니다.

 

내용

소개

SMU는 폐루프 피드백 제어를 사용하여 프로그램된 소스 값(셋포인트)이 테스트 중인 로드에 정확하게 적용되도록 합니다. 기존 SMU는 컨트롤 루프를 구현하기 위해 아날로그 하드웨어를 사용해 왔지만, 이는 절충이 수반됩니다. 예를 들어, 고속 테스트용으로 설계된 고대역폭 SMU는 일반적으로 높은 안정성을 요구하는 고용량 로드 테스트에 적합하지 않습니다. 반면, 고용량 로드를 테스트하도록 설계된 SMU는 고속 테스트에 가장 좋은 옵션이 아닐 가능성이 높습니다. 실제로 대부분의 기존 SMU는 고속 또는 고안정성 테스트에 최적화되어 있습니다. 그럼에도 다양한 로드에 올바른 응답만 내놓는 회로를 설계하는 것은 매우 어렵기 때문에 최적의 응답을 얻는 것은 어렵습니다.

NI SourceAdapt 기술은 기본적으로 특정 로드에 대한 SMU 응답을 사용자가 알맞게 조정하도록 지원하여 이 문제를 해결합니다. 이는 최소의 안정 시간으로 최적의 SMU 응답을 제공하여 대기 시간과 테스트 시간을 단축시키고, 테스트 중인 디바이스(DUT)를 보호하기 위해 오버슛을 없애고 시스템 안정성을 보장하기 위해 진동을 제거합니다.

SMU 응답은 프로그래밍으로 조정되기 때문에 고속 테스트용으로 구성된 SMU가 안전성이 높은 방식으로 테스트를 수행하도록 쉽게 재구성할 수 있으며, 이를 통해 테스트 장비의 투자 수익을 극대화하고 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.

그림 1. 용량 로드에 대한 SMU 응답. NI SourceAdapt 기술은 최대 안정성과 최소 과도 응답 시간을 위한 사용자 정의 응답(빨간색)을 가능하게 합니다.

 

기존 아날로그 컨트롤 루프의 한계

이상적인 로드 응답을 달성하기 위해 설정이 가능해야 함
근본적인 문제는 로드가 출력 전압 또는 전류를 조절하는 컨트롤 루프의 전달 함수에 직접적으로 영향을 미친다는 것입니다. 따라서 이상적인 응답을 달성하려면 주어진 로드에 맞춰 설정이 가능해야 합니다.

 

테스트 기기 공급업체는 과거에 설정 가능한 전달 함수를 제공하기 위해 여러 접근 방식을 활용했습니다. 그 방법에는 기본적으로 컨트롤 루프의 피드백 경로 내외로 반응성 요소를 전환하는 것이 포함되어 있으며, 이는 효과, 설정성, 확장성에 한계가 있습니다. SourceAdapt 기술이 제공하는 정도의 정확한 사용자 정의 보상을 얻으려면 SMU 컨트롤 루프의 설계 방식을 완전히 재고해야 합니다.

SMU의 컨트롤 루프는 두 개의 폐쇄 컨트롤 루프의 중첩 위치입니다. 하나는 전류용이고 다른 하나는 전압용입니다. 그림 2a는 기존 SMU 아키텍처의 개념적 보기를 표시합니다.

그림 2a. 기존 SMU 아키텍처의 단순화된 보기. 컨트롤 루프(V-I Control)는 아날로그 하드웨어 구성요소를 사용하여 구현되기 때문에 설정이 매우 제한적입니다.

 

V-I Control에는 전압 및 전류의 셋포인트가 주어지며, 폐루프 피드백을 사용하여 출력 전압 및 전류를 해당 셋포인트와 일치하도록 정밀하게 컨트롤할 수 있습니다. 이 전체 컨트롤 루프는 증폭기와 기타 활성 아날로그 하드웨어를 사용하여 구현됩니다. 피드백 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC)로도 읽혀 고정밀 측정이 가능합니다. 이 아키텍처의 보상을 변경하려면 이산 반응성 요소를 추가해야 합니다. 스위치를 사용하여 프로그래밍으로 이를 조정할 수 있지만, 제한적이고 불충분한 접근 방식입니다. 기껏해야 몇 개의 가능한 설정 중 하나를 선택할 수 있을 뿐입니다. 이를 통해 주어진 로드에 대한 SMU 응답을 최적화할 수 없습니다. 그렇다면, 어떻게 손쉽게 설정할 수 있는 컨트롤 루프를 얻을 수 있을까요? 이에 대한 해답은 그림 2b와 같은 완전히 새로운 아키텍처에 있습니다.

그림 2b. 새로운 NI SMU 아키텍처. 컨트롤 루프(V-I Control)가 FPGA(Field Programmable Gate Array) 내부의 디지털 도메인으로 이동했다는 점에 유의하십시오.

 

이 새로운 아키텍처에서 V-I Control은 디지털 도메인으로 이동되었으며 현재 FPGA 내에 있습니다. 디지털 컨트롤 루프는 아날로그 루프와 달리 컨트롤 루프를 최적화하여 로드에 이상적인 응답을 손쉽게 얻을 수 있도록 소프트웨어를 완벽하게 설정할 수 있습니다. 특히 컨트롤 루프는 다양한 구현이 가능하여, SourceAdapt 기술이 어떠한 로드에도 SMU 응답을 사용자 정의할 수 있는 역량을 제공할 수 있도록 합니다.

그림 3. 새로운 디지털 V-I Control 구현

 

V-I Control에는 DC 정확도와 루프의 일반 규정을 제공하는 적분기 및 사용자 정의 보정이 가능한 극점 영점 필터가 포함되어 있습니다. 두 블록 모두 아날로그 컨트롤 루프로는 불가능한 범위에서 사용자가 설정할 수 있습니다. 또한 전체 루프는 FPGA의 처리 능력은 물론 신속한 ADC와 DAC를 활용하여 정밀 소스 측정 어플리케이션을 완벽하게 처리할 수 있습니다. 그 결과 성능 저하 없는 설정 가능한 아키텍처가 제공됩니다.

SourceAdapt 기술 이면의 아키텍처 이해

SourceAdapt 기술의 새로운 아키텍처를 이용하여 두 가지 방법으로 전달 함수를 조정할 수 있습니다. 첫째, 적분기에서 이득 대역폭곱(GBW)을 조정할 수 있습니다. 둘째, 피드백 보상기를 리드 또는 지연 보상기로 사용하여 사용자가 전달 함수의 임의 주파수에서 극점 영점 쌍을 추가할 수 있습니다.

 

이득 대역폭 조정

출력 경로의 적분기는 보드 크기(이득 여유[1]) 및 위상 여유[2] 플롯의 운영 증폭기와 유사한 개루프 전달 함수를 제공합니다.

그림 4a. 적분기의 개루프 전달 함수(이득 여유: 왼쪽, 위상 여유: 오른쪽)

 

그림 4b. 로드되지 않은 출력을 사용한 경우의 1V 단계 응답(그림 4a의 전달 함수)

 

적분기 이득 또는 루프의 GBW를 조정하여 루프의 전체 응답이 동작하도록 조정 가능

  • 예를 들어, 3kHz의 GBW와 87.34의 위상 여유인 경우 더 느리고 안정적임(그림 5a 및 5b 참조)
  • 예를 들어, 20kHz의 GBW인 경우 속도가 더 빠름(그림 6a 및 6b 참조)

그림 5a. 3kHz GBW와 87.34의 위상 여유인 경우 응답이 더 느리고 안정적임

 

그림 5b. 로드되지 않은 출력을 사용한 경우의 1V 단계 응답(그림 5a의 전달 함수)

 

그림 6a. 20kHz GBW와 72.23의 위상 여유인 경우 응답이 더 빠름

 

그림 6b. 로드되지 않은 출력을 사용한 경우의 1V 단계 응답(그림 6a의 전달 함수)

 

반응 로드 작업

안정성이 떨어지는 반응 로드에서 루프 속도를 낮춰 보다 안정적인 방식으로 작동하도록 할 수 있습니다. 그림 7a와 7b는 커패시터를 로드로 사용하는 컨트롤 루프의 동작을 보여줍니다. 캐패시터는 캐패시턴스 및 출력 단계의 분기 저항에 반비례하는 주파수로 극점을 삽입하여 이득과 위상 모두에 영향을 미칩니다. 0.1µF 캐패시터의 개루프 주파수 응답 결과는 그림 7a에 그림 7b의 단계 응답과 함께 표시되어 있습니다.

그림 7a. 개루프 전달 함수는 0.1µF 캐패시터를 로드로 사용하여 약간 안정적입니다.

 

그림 7b. 0.1µF 커패시터를 로드로 사용한 경우의 1V 단계 응답

 

그림 7b에 볼 수 있듯이 응답은 부족 감쇠되어 있으며, 오버슛되었고 안정되는 데 시간이 많이 걸립니다. GBW를 조정하면 이 시스템이 더 잘 작동합니다. 오버슛을 완전히 제거할 수 있을지 걱정된다면, 오버슛 없이 응답을 얻을 수 있을 정도로 루프 속도를 늦출 수 있습니다. 그림 8a와 8b는 오버슛을 완전히 제거하기 위해 500Hz GBW에서 응답이 느려지는 상태를 보여줍니다.

그림 8a. 500Hz GBW인 경우의 개루프 전달 함수(로드: 0.1µF 커패시터)

 

그림 8b. 500Hz GBW인 경우의 1V 단계 응답(상승 시간~1ms)

오버슛은 제거되지만 시스템의 응답은 매우 느려졌습니다. 최적의 응답을 얻기 위해 전달 함수를 조정하는 두 번째 방법으로 피드백 보상기(리드 또는 다리 보상기)를 사용할 수 있습니다.

 

피드백 보상기 사용

SourceAdapt 기술은 응답을 최적화하는 두 번째 도구인 피드백 보상기를 제공합니다. 이전 섹션의 예에 이어서 목표는 오버슛과 진동을 방지하면서 상승 시간을 빠르게 만드는 것입니다. 이것은 커패시터가 도입한 극점을 제거하기 위해 보상기를 사용하여 달성할 수 있습니다. 이렇게 제어하면 GBW를 추가로 증가시켜 매우 안정적인 상태를 유지하면서 상승 시간을 더 빠르게 만들 수 있습니다. GBW를 20kHz로 증가시킨 그림 9a는 보상기를 사용했을 때와 사용하지 않았을 때의 크기와 위상 응답을 비교한 결과를 나타냅니다.

그림 9a. 보상기가 있는 경우 또는 없는 경우의 개루프 전달 함수(GBW: 20kHz, 로드: 0.1µF 커패시터)

 

그림 9b. 20kHz GBW 및 보상기를 사용했을 경우의 1V 단계 응답(상승 시간~100µs)

 

그림 9b와 같이 응답은 상승 시간이 10배 감소하고 오버슛이 없을 때 이상적이며, 45도 정도의 위상 여유를 가졌을 때 뛰어난 안정성을 보입니다.

 

SMU로 이상적인 응답 달성

로드가 소스 측정 유닛(SMU) 컨트롤 루프의 전달 함수에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 이상적인 응답을 얻으려면 주어진 로드에 맞춰 설정할 수 있어야 합니다. NI SourceAdapt 기술을 사용하면 SMU 응답을 모든 로드에 맞춰 완벽하게 사용자 정의할 수 있어 상승 시간을 최소화하고 오버슛 또는 진동 없는 최적의 응답을 얻을 수 있습니다. 즉, 잠재적인 테스트 대상 디바이스의 손상 또는 시스템의 안정성과 관련된 문제의 위험 없이 테스트를 더 빠르게 구현할 수 있습니다.

결론

이 문서에서는 다양한 로드에 대한 이상적인 응답을 제공하기 위해 SMU 전달 함수를 설정할 수 있어야 한다는 점과 새로운 NI SourceAdapt 기술을 이용하여 완벽한 설정 가능성을 얻는 방법을 설명합니다. SourceAdapt 기술을 사용하면 SMU 응답을 모든 로드에 맞춰 완벽하게 맞춤 설정함으로써, 상승 시간(Rising time)을 최소화하고 오버슛과 진동이 없는 최적의 응답을 생성할 수 있습니다. 사고로 인한 손상이나 시스템 안정성 문제를 겪을 리스크 없이 DUT를 보다 신속하게 테스트할 수 있습니다.

SourceAdapt 기술은 LabVIEW 그래픽 개발 환경을 FPGA로 확장하는 NI LabVIEW 임베디드 기술이 최신 상태로 발전하면서 가능하게 되었습니다.

[1] 이득 여유는 시스템을 불안정하게 만드는 데 필요한 개루프 이득의 변화로 정의됩니다.

[2] 위상 여유는 폐루프 시스템을 불안정하게 만드는 데 필요한 개루프 위상 이동의 변화로 정의됩니다.