使用NI PXI源测量单元,实现更智能的测试

概览

NI为自动化测试和实验室特性分析应用提供了各种源测量单元(SMU)。 这些SMU兼具传统台式SMU的功能和测量性能,同时采用NI技术,使其更小巧、更快速且更灵活。 NI SMU小巧的组成结构和模块化特性使其成为并行IV测试系统重要仪器,可帮助您在19英寸4U机架空间内开发高达68个通道的高通道数解决方案。 模块化PXI平台使您能够通过PXI背板触发这些源测量单元SMU,以同步与其他仪器的测量,包括高速数字I/O仪器、射频分析仪、发生器、高速数字化仪。

 

Contents

多样的硬件选择

NI提供了多种SMU组成结构。 这些模块满足了从为通用自动化测试供电到对半导体设备执行参数测试等各种测试和特性分析需求。 下表列出了NI的各款SMU。

 

系统SMU

SMU之所以可以得到广泛的应用是因为它将高功率、高精度、高速源测量功能集成到单个SMU通道上。 这些仪器提供了20W的连续直流电源和高达500W的瞬时脉冲功率。 

 

  PXIe-4135 PXIe-4137 PXIe-4139
说明 弱电流系统SMU 精密系统SMU 精密系统SMU
最大电压 ±200 V ±200 V ±60 V
最大电流 ±1 A,直流;±3A,脉冲 ±1 A,直流;±3A,脉冲 ±3 A,直流;±10A,脉冲
最大功率 20 W直流功率;500 W脉冲功率 20 W直流功率,500 W脉冲功率 20 W直流功率,500 W脉冲功率
最高采样率 1.8 MS/s 1.8 MS/s 1.8 MS/s
最大更新速率 100 kS/s 100 kS/s 100 kS/s
电流灵敏度 10 fA 100 fA 100 fA
定时/触发 硬件定时 硬件定时 硬件定时
瞬态响应 慢速、正常、快速、自定义(SourceAdapt) 慢速、正常、快速、自定义(SourceAdapt) 慢速、正常、快速、自定义(SourceAdapt)
  查看完整产品规格 查看完整产品规格 查看完整产品规格

表1.. 系统SMU在单个SMU通道中集成了高功率、高精度、高速源测量功能。

 

高通道数SMU

对于高通道数低功率的应用,NI PXIe-414x四通道SMU系列可以提供业界领先的通道密度(单个4U PXI机箱上最多可有68个通道)。 这些仪器由于具有可自定义的瞬态响应、精度、密度而成为精密半导体应用的理想选择,比如MEMS系统测试、开短路检测、为RF集成电路(RFIC)供电。

 

  PXIe-4141 PXIe-4143 PXIe-4145
说明 4通道SMU 4通道SMU 4通道SMU
最大电压 ±10 V ±24 V ±6 V
最大电流 ±100 mA ±150 mA ±500 mA
最大功率 1 W 3.6 W 3 W
最高采样率 600 kS/s 600 kS/s 600 kS/s
最大更新速率 100 kS/s 100 kS/s 100 kS/s
电流灵敏度 10 pA 10 pA 15 pA
定时/触发 硬件定时 硬件定时 硬件定时
瞬态响应 慢速、正常、快速、自定义
(SourceAdapt)
慢速、正常、快速、自定义
(Sourced)
慢速、正常、快速、自定义
(SourceAdapt)
  查看完整产品规格 查看完整产品规格 查看完整产品规格

表2. NI PXIe-414x系列提供业界领先的通道密度(单个4U PXI机箱上最多可有68个通道)。

 

通道密度

NI SMU在单个4U机架空间提供了高达68个SMU通道。

相对于传统台式SMU,NI SMU可提供更高的通道密度,如图1所示,单个4U机架空间可提供17或68个SMU通道。NI SMU小巧的组成结构使其成为创建高引脚数测试系统或紧密集成的混合信号测试系统的理想选择。 例如,您可以仅使用NI PXIe-4139系统SMU来构建高亮度LED所需的平行测试系统,也可将SMU与其他基于PXI的设备配合使用,在单个PXI机箱内构建集成式RF功率放大器测试系统。

 

图1. 在单个18槽PXI机箱中结合了高达17个PXI SMU通道。

 

无论从密度和集成的角度来看,使用台式仪器构建高密度或混合信号测试系统要比使用模块化平台更具挑战性。 传统台式仪器在4U机架空间提供了8个SMU通道,而NI SUM则在单个PXI机箱相同的空间内提供了17个通道,其具有相似的功率范围。 PXI平台还通过在单个PXI机箱共享定时和同步简化了多个SMU和其他仪器之间的集成。 集成式触发路由与NI SMU的板载硬件序列引擎相结合,可帮助您轻松地在多个SMU或其他仪器之间共享事件和触发,无需任何外部接线。

 

高速源和测量功能

NI基于PXI Express的SMU提供了所需的灵活性来执行高速和高精度直流测量,可改变测量的间隙时间。 短测量空隙时间让您可将SMU用作为采样率高达1.8 MS/s的数字化仪,而宽测量间隙时间则能够让您以高达10 fA的电流分辨率进行高精度测量。

 

精度

NI SMU能够以高达10 fA的电流灵敏度执行高精度测量。 高精度测量需要的间隙时间必须使SMU的模数转换器具有足够的时间来集成信号并应用噪声抑制滤波器。 SMU的空隙时间通常是指电源线周期数(NPLC),通常默认为使用1个NPLC来滤除电源线路引起的噪声(60 Hz或50 Hz)。

 

NI SMU结合了高精度和高速测量

NI SMU在各种间隙时间下提供了低噪声测量性能,即使高速运行时也是如此。 下图对NI PXIe-4139 系统SMU和传统台式SMU之间的测量性能进行了比较,这两个仪器都具有100 fA的电流灵敏度。 随着间隙时间(NPLC)的增加,SMU可在较长的时间内集成信号,并通过取平均值和滤波等技术降低噪声。

 

图2. 电流测量噪声(A)为间隙时间的函数(NPLC)

(参考下表数据了解详情。)

 

这些数据列出了在不同间隙时间(0.001,0.01,0.1,1和2个NPLC)下两个SMU的RMS电流噪声,电流测量范围均为1A。 这两种仪器都以相同的时间间隔进行校准,以维持相同的测试参数。 以下两种情况下展示了NI SMU相比传统台式SMU的测量质量和速度。
 

  1. 比较相同测量间隙时间下的噪声性能
    NI SMU在1 NPLC下的噪声为0.1~0.2μA,而传统台式SMU的噪声为10〜20μA。 这意味着NI SMU在相同的速度下的噪声减少了100倍,且在相同的电流范围内提供更好的测量精度。

  2. 比较相同电流噪声的测量速度
    使用传统台式SMU,您可能需要更宽的空隙时间来满足测量的噪声需求。 但是,NI SMU在0.005 NPLC的噪声与传统台式SMU在1个完整NPLC的噪声相同,这意味着在测量速度方面有了100倍的提升。 这使您能够在维持同样测量性能的同时,显着降低整体测试时间。

 

高速采样和数据流

NI SMU相比传统台式SMU有着更高的采样率,因而SMU可用作高电压或电流数字化仪。 此外,NI SMU提供了快速的更新率以及可自定义的SMU响应,使您能够非常快速逐句调试序列或使用SMU来生成任意波形。 PC主机和SMU之间的直接DMA数据流避免了GPIB和以太网等传统总线接口相关的数据传输瓶颈,并确保您可以以SMU的最大更新速率读写大型波形。 下表显示了NI SMU与传统台式SMU的详细比较。

 

  NI PXIe-4141/3/5 SMU PXIe-4135/7/9 SMU 传统台式SMU
最高采样率 600 kS/s 1.8 MS/s 20 kS/s
最大更新速率 100 kS/s 100 kS/s 7 kS/s
瞬态响应 慢速、正常、快速、自定义(SourceAdapt) 慢速、正常、快速、自定义(SourceAdapt) 正常,高电容

表4. NI SMU与传统台式SUM的采样率、更新速率和瞬态响应比较。

 

NI SMU的数字化仪功能对于捕获SMU响应的详细瞬态特性或分析线性和负载瞬态等待测设备的行为特性至关重要。 如果没有这个功能,就需要一个外部示波器。

 

图3. NI SMU提供了比传统台式SMU更高的采样率。

 

上图显示了SMU生成了一个电流脉冲,并以20 kS/s和1.8 MS/s的速率采样输出数据。NI SMU 1.8 MS/s的采样率可提供详细的脉冲瞬态特性,并确保SMU响应没有任何过冲或振动。

 

可自定义的瞬态响应 - NI SourceAdapt技术

SourceAdapt技术使您能够优化任意负载的SMU响应,即使是高感性或高容性负载。 新一代SMU技术可实现数字控制循环,而不是传统模拟数字循环,这样您可以完全自定义SMU的瞬态响应。

 

传统SMU的局限性

SMC采用闭环反馈控制来确保所设置的电源值(设定值)正确地施加到待测负载上。 传统的SMU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,专为高速测试而设计的高带宽SMU通常不适合测试需要高稳定性的高容性负载。 另一方面,针对高容性负载而设计的SMU并一定适用于高速测试。 事实上,大多数传统源测量单元的设计都为了高速测试或高稳定性测试。 即使如此,获得最佳响应仍然十分困难,因为设计出能够为不同负载提供正确响应的电路是极其困难的一件事。

 

SourceAdapt的优势

SourceAdapt技术可帮助您针对特定负载自定义调谐SMU响应,从而从根本上解决这个问题。 这提供了最佳的SMU响应和最低的建立时间,从而减少了等待时间和和测试时间,避免了过冲和振荡,进而保护了DUT和确保了系统稳定性。 由于SMU响应的调谐是通过编程完成的,因此针对高速测试配置的SMU可轻松针对高稳定性测试进行重新配置——从而最大化测试设备的投资回报和获得更好的结果。

 

图4. SourceAdapt技术可实现自定义响应,
以获得最大稳定性和最小上升时间。

 

软件优势

NI-DCPower是一个兼容IVI的仪器驱动,为 NI LabVIEWNI LabWindows™/CVINI Measurement Studio提供了一个软件前面板、范例程序集和一个综合API。 仪器软件前面板是进行单点IV测量或为设备连续供电的理想之选。 内置范例提供了现成的程序来生成一个或两个SMU通道的输出序列以及绘制响应图表。 这些范例程序演示了从简单的源测量配置到高级半导体组件扫频和IV特性分析等各种概念。 范例通常作为LabVIEW软件中大型或高度自定义项目或者NI TestStand测试序列的构建块。

 

图5. 使用改进的用户界面分析晶体管特性的范例程序

 

NI SMU针对LabVIEW、LabWindows/CVI和Measurement Studio等编程环境进行了优化。 开发和测试的紧密集成可确保NI SMU提供了比传统第三方台式仪器更出色的用户体验。 用户可以通过一种编程语言来使用NI SMU的所有功能,而不是使用各种可编程仪器的标准指令(SCPI)、LabVIEW VI和/或脚本语言。 下表列出了NI SMU的部分软件特性:

  • 内置测量选板
  • 范例程序
  • 集成了详细的LabVIEW帮助文档
  • 全面的错误处理和消息
  • SMU到主机之间的透明数据流

 

下一步

NI SMU提供了各种硬件选项和灵活软件,专为解决各种实验特性分析和自动化测试应用需求而设计。 NI SMU在紧凑的外形结构中提供了传统台式SMU的测量质量,使您能够在单个PXI机箱中构建高达68个通道的高通道数系统。 SourceAdapt等技术可确保SMU针对纯阻性到高容性等任意负载生成快速稳定的响应。

下一步

*LabWindows标志由Microsoft公司授权。 Windows是Microsoft公司在美国和其他国家的注册商标。