NI SourceAdapt - 新一代的 SMU 技術

SMU 使用閉迴路反饋控制，保障能將程式設計好的源極值 (設定點) 正確應用於受測負載。傳統 SMU 均透過類比硬體建構控制迴圈，但有其缺點。舉例來說，專為高速測試所設計的高頻寬 SMU，往往不適用於「必須保持高度穩定」的高電容性負載。另一方面，專為高電容性負載所設計的 SMU，卻又不適合用於高速測試。其實，最舊型的 SMU 均經過最佳化設計，適用於高速或高穩定度測試。即便如此，由於要設計出能正確回應各類負載的電路極其困難，因此很難達到最佳響應。

NI SourceAdapt 技術能協助您根據特定負載自訂調整 SMU 響應，因此能徹底解決這個問題。此最佳化的 SMU 影像並可達最短趨穩 (Settling) 時間 (亦即達到更短的等待時間、更快的測試時間)，將過衝降至最低，以保護受測裝置 (DUT) 而確保系統穩定度。

由於是透過程式設計方式調整 SMU 響應，因此，要將針對高速測試設定的 SMU 應用於高穩定度測試，很容易就能重新設定 – 因此能大幅提高測試設備的投資報酬率，並且得到更好的結果。

在此之前，製造商均提供不同的轉換函式設定方式。最常見的，則是針對控制迴圈的內外反饋路徑，進而切換相關的無功 (Reactive) 要素；如此的效果、可配置性、延伸功能往往受限。若要達到 SourceAdapt 技術的真正客制化程度，則必須重新了解 SMU 控制迴圈的架構。

SMU 的控制迴圈為 2 組閉迴圈的重疊:一組用於電流,另一組則用於電壓。圖 2a 顯示傳統 SMU 架構的概念。

V-I 控制是針對電壓與電流的已知設定點 (Set point),且其閉迴圈反饋可精確控制輸出電壓與電流,以對應至設定點。而整個控制迴圈,均是以放大器與其他主動式類比硬體所架構。另由類比數位轉換器 (ADC) 讀取反饋訊號,以達精確量測作業。若要以不同方式補償此架構，則需要更多的分離式無功 (Reactive) 元件。而透過切換器,能以程式設計的方式達到某種程度的調整;但此方法仍有其限制。頂多可讓使用者選擇少數幾種設定之一。因此亦成為「已知負載是否能最佳化 SMU 響應」的關鍵。想要可隨意設定的控制迴圈嗎？答案就在圖 2b 的全新架構。

在此新架構中,V-I Control 移至數位區域,亦即 FPGA 之中。不同於類比控制迴圈，數位控制迴圈可完全透過軟體設定其合適的響應，而達最佳化的控制迴圈。此特殊的多功能控制迴圈,更讓 SourceAdapt 技術可針對任何負載客制化其 SMU 響應。

在 V-I Control 中,有 1 組整合器 (Integrator) 可確保 DC 精確度與迴圈常態;還有 1 組 Pole-Zero Filter 可客制化補償。使用者均可設定上述 2 個區塊，以補足類比控制迴圈所欠缺的功能。且透過高速 ADC 與 DAC，再搭配 FPGA 的強大處理功能，即可讓迴圈完美處理精確的電源量測應用。而此架構不致犧牲系統效能，亦可提供極高的可配置性。

SourceAdapt 技術的新架構,共有 2 種方法可轉換函式調整作業。首先可於 Integrator 上調整 Gain-Bandwidth Product (GBW);或於轉換函式中,將反饋補償器 (Feedback compensator) 作為任意頻率的 Lead 或 Lag Compensator (可讓使用者新增 Pole-Zero 偶合)。

增益頻寬調整

位於輸出路徑上的 Integrator 將提供開迴圈轉換函式,且其外觀近似於 Bode Magnitude (增益邊限^{,Gain margin[1]}) 與相位邊限^[2]圖。

在調整 Integrator 的增益,或迴圈的 Gain-Bandwidth Product (GBW) 之後,即可調整迴圈的整體響應,以達到:

• 更慢且更穩定,如 3kHz 的 GBM,與 Phase Margin of 87.34* 的相位邊限 (如圖 5a 與 5b 所示)。
• 例如 20 kHz 的 GMW 更快 (如圖 6a 與 6b 所示)

只要減緩迴圈速度,即可強制「穩定度降低的無功負載」達到較高穩定度的動作。圖 7a 與 7b 所顯示的控制迴圈，即是將電容器作為負載。電容器所導入的極性 (Pole)，將與「電容」及「輸出階段的分流電阻器 (Shunt resistor)」成頻率反比關係，且將同時影響增益與相位。接著將針對 0.1 μF 的電容器,造成圖 7a 中的開迴圈頻率響應;伴隨圖 7b 中的步進響應。

如圖 7b 所示,響應的阻尼不足;過衝並耗時趨穩。若調整 GBW，即可優化此系統的動作。若主要考量是必須完全消除過衝,則必須放慢迴圈速度,直到可取得響應卻不造成任何過衝。圖 8a 與 8b 則為 500 Hz GBW 的緩速響應,以完全消除過衝現象。

雖然消除了過衝，但系統目前的響應極為緩慢。若要達到最佳響應，就必須以第二種方法調整轉換函式，即使用反饋補償器 (Feedback compensator)，並作為超前 (Lead) 或落後 (Lag) 補償器。

SourceAdapt 技術,則提供可最佳化響應的第二種工具:反饋補償工具。繼續參照前一節的範例,我們的目標是要在避免過衝與震盪的同時,達到快速上升時間。只要使用補償器消除電容器引入的極。透過這種控制，即可進一步提高 GBW 而達到較快的上升時間，同時仍保有穩定性。Increasing the GBW to 20 kHz, 圖 9a 則呈現了使用與未使用補償器之間的振幅 (Magnitude) 與相位響應 (Phase response)，將 GBW 提高到 20 kHz。

如圖 9b 所示，該響應可縮短 10 倍的上升時間、並無過衝，且以約 45 度的相位邊限達到極佳的穩定性。

由於負載將直接影響電源量測單位 (SMU) 控制迴圈的傳輸功能,因此若要達到最佳響應,則首重已知負載的可配置性。透過 NI SourceAdapt 技術，即可針對任何負載而客制化 SMU 響應，在無過衝 (Overshoot) 或震盪的條件下，以最短上升時間 (Rise time) 達到理想的響應。也就是說,不需冒著受測裝置損壞或系統穩定性的風險,亦可迅速建置所需的測試器。

本文說明了,設定 SMU 轉換函式的步驟,以對不同的負載提供適合響應,並進一步透過 NI SourceAdapt 新技術而掌握相關配置性。有了 SourceAdapt 技術,即可充分客制化 SMU 對各種負載的響應,並且在無過衝 (overshoot) 或震盪的情況下,以最短上升時間 (rise time) 達到理想響應。這樣一來就能提高 DUT 的測試速度,不會有意外損壞的風險,也不會出現系統不穩定的問題。

SourceAdapt 為 NI LabVIEW 嵌入式技術的最新強化功能，可將 LabVIEW 圖形化開發環境延伸至 FPGA 之中。

^{[1]增益邊限 即為「開迴圈增益中的變化」,往往造成系統不穩定。}

^{[2]相位邊限 即為「開迴圈相位偏移中的變化」,往往造成閉迴圈系統不穩定。}

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