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什么是信號(hào)源測(cè)量單元?

發(fā)布時(shí)間:2018-03-20 來(lái)源:Doug Mercer 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】信號(hào)源測(cè)量單元 (SMU) 是一種將信號(hào)源功能和測(cè)量功能結(jié)合在同一引腳或連接器上的儀器。它可以提供電壓或電流,并同時(shí)測(cè)量電壓和/或電流。它將電源或函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM) 或示波器、電流源及電子負(fù)載的功能集成到單個(gè)緊密同步的儀器中。
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
圖1. 一個(gè)ADALM1000 SMU通道的框圖。
 
ADALM1000本質(zhì)上是一款信號(hào)源測(cè)量單元,但也可將其視為獨(dú)立的 示波器和函數(shù)發(fā)生器。但當(dāng)分而視之時(shí),由于輸出功能(發(fā)生器)和輸入功能(示波器)共用一個(gè)引腳,因此一次只能使用一個(gè)功能。
 
可編程信號(hào)源測(cè)量單元為什么很重要?
 
對(duì)于某些類(lèi)型的測(cè)試,可編程儀器可能并不重要。您可能只想讀取一次或少量次數(shù)。但有很多情況下,可能需要收集大量數(shù)據(jù),以便生成性能隨時(shí)間變化的曲線或圖表。不過(guò),手動(dòng)操作的話會(huì)非常耗時(shí)且易于出錯(cuò)。
 
還有大量不同的實(shí)驗(yàn)要求自動(dòng)收集數(shù)據(jù)以獲得更快速或更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,或者獲取長(zhǎng)時(shí)間尺度(數(shù)月甚至幾年)的測(cè)量結(jié)果。此時(shí),您肯定需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)收集數(shù)據(jù)并將其導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行分析。
 
為什么需要負(fù)電壓?
 
不是所有實(shí)驗(yàn)都需要負(fù)電壓,在某些情況下,您可以避免使用。但是,如果施加正電壓或負(fù)電壓,許多不同類(lèi)型的器件會(huì)以不同方式工作。為充分了解此類(lèi)器件的工作原理,我們需要能夠改變所施加電壓的符號(hào)。ADALM1000中的每個(gè)SMU通道只能產(chǎn)生0 V至5 V的電壓(相對(duì)于地)。它提供固定的2.5 V和5 V輸出,這些輸出既能流出電流,也能吸入電流。DUT可以連接在2.5 V輸出和SMU輸出之間,而不是接地,以將DUT電壓從–2.5 V掃描到+2.5 V。此外,由于ADALM1000有兩個(gè)SMU,所以DUT可以連接兩個(gè)SMU輸出之間。一個(gè)通道從0 V掃描到5 V,另一個(gè)通道從5 V掃描到0 V,DUT兩端的電壓便是從–5 V到+5 V。
 
舉個(gè)例子,考慮一個(gè)二極管——這種器件僅允許電流沿一個(gè)方向通過(guò)其中。為了評(píng)估二極管是否正常工作,我們需要看看兩個(gè)方向的電流是否均能通過(guò)其中。檢查方法有兩種。我們可以在一個(gè)方向測(cè)量二極管,再手動(dòng)轉(zhuǎn)向,測(cè)量另一個(gè)方向,然后將數(shù)據(jù)組合在一起。然而,如果我們施加正電壓和負(fù)電壓,那么只需測(cè)量電流就行了。事實(shí)上,這種技術(shù)非常有用,常被用來(lái)表征很多具有類(lèi)二極管行為的器件,太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管就是很好的例子。圖2顯示如何將二極管連接到ADALM1000以掃描–5 V至+5 V電壓。
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
圖2. 從–5 V到+5 V掃描二極管。
 
通道A編程為從0 V掃描至5 V,而通道B編程為從5 V掃描至0 V,通道間的差值出現(xiàn)在電阻兩端,用于限制電流和二極管。時(shí)域波形如圖3所示。綠色曲線是通道A電壓,橙色曲線是通道B電壓,黃色曲線是通道B電流(通道A電流未顯示,其與通道B電流剛好相反)。
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
圖3. 電壓和電流波形與時(shí)間的關(guān)系。
 
我們可以將這些測(cè)量數(shù)據(jù)彼此對(duì)照以繪制成圖,并同時(shí)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算。我們想繪制的是通過(guò)二極管的電流與二極管兩端電壓的關(guān)系。為了計(jì)算二極管兩端的電壓,我們可以從通道A和通道B的電壓之差中減去電阻上的壓降 (V = I×R)。下面的Python方程式(用在ALICE中)可執(zhí)行該計(jì)算:
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
 
其中100為電阻的值。二極管電流與該方程式的關(guān)系曲線如圖4所示。
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
圖4. 二極管電流與–5 V至+5 V電壓的關(guān)系。
 
信號(hào)源測(cè)量單元有何用途?
 
許多日常物品都會(huì)通過(guò)SMU進(jìn)行測(cè)試,作為工廠測(cè)試和質(zhì)量控制流程的一部分。家中照明使用的LED燈和屋頂上安裝的太陽(yáng)能面板,都已利用SMU進(jìn)行測(cè)試,這是制造過(guò)程的一部分。
 
ADALM1000專(zhuān)為正在研究下一代電子設(shè)備的工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生使用而設(shè)計(jì)。從碳納米管、量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)到生物膜、生物傳感器,要了解大量材料和器件如何導(dǎo)電,必須使用SMU。簡(jiǎn)言之,您可以利用ADALM1000去了解任何器件在DC或低頻、–5 V至+5 V電壓范圍內(nèi)的電氣特性,并測(cè)量±0.1 mA至180 mA的電流。
 
能否舉一個(gè)需要信號(hào)源測(cè)量單元的具體測(cè)量例子?
 
以太陽(yáng)能電池為例。在研究實(shí)驗(yàn)室,工程師們正在尋找讓太陽(yáng)能電池效率更高、成本更低的方法。為了解太陽(yáng)能電池的工作效能,實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)了一種小型測(cè)試器件,其尺寸可能只有幾平方毫米到幾平方厘米,然后表征其性能。這些測(cè)試電池太小,不足以產(chǎn)生超過(guò)照明功率(例如單個(gè)LED)的任何可用功率,但它們足以表征基本工作范圍和效率。作為例子的這家實(shí)驗(yàn)室采用ADALM1000測(cè)量小型太陽(yáng)能電池。
 
太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵特性是其將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率。為此,可以用已知強(qiáng)度的光照射測(cè)試電池,然后測(cè)量每單位面積產(chǎn)生的電功率。功率等于電壓乘以電流,所以從測(cè)量所產(chǎn)生的端電壓 (V) 和電流 (I) 開(kāi)始。
 
要測(cè)量所產(chǎn)生的電壓,可以在照射的時(shí)候?qū)⒁粋€(gè)電壓表連接在電池端子上。同樣,在電池端子上連接一個(gè)電流表可以測(cè)量電流。將測(cè)得的電流除以太陽(yáng)能電池的面積,便得到電流密度。
 
但有一個(gè)問(wèn)題:用電流(或電流密度)乘以電壓只能告訴我們,如果我們有一個(gè)理想器件,可以產(chǎn)生多少功率(或單位面積的功率)。原因是電壓表的內(nèi)阻幾乎是無(wú)限大,當(dāng)用它測(cè)量電壓時(shí),不會(huì)有電流流過(guò)。這種情況下產(chǎn)生的是零功率(實(shí)測(cè)電壓 × 零電流 = 零)。這種測(cè)量稱為開(kāi)路電壓測(cè)量。類(lèi)似地,當(dāng)把電流表放在端子上測(cè)量電流時(shí),我們是在太陽(yáng)能電池短路的情況下測(cè)試電池,因?yàn)殡娏鞅淼膬?nèi)阻幾乎為零。在這種情況下,存在電流但未施加電壓。同樣不會(huì)產(chǎn)生任何功率(實(shí)測(cè)電流×零電壓=零)。這種測(cè)量稱為短路電流測(cè)量。
 
對(duì)于任何實(shí)際的太陽(yáng)能電池,其輸出電壓將取決于所產(chǎn)生的電流大小,這就是為什么使用SMU的原因——在測(cè)量電流變化的同時(shí)可以改變電壓。
 
圖5顯示了某一小型太陽(yáng)能電池(來(lái)自太陽(yáng)能庭院燈的3 cm × 3 cm太陽(yáng)能電池)的典型IV曲線。電流進(jìn)入SMU通道(被其吸收),所以電流為負(fù)值。0 V時(shí)的電流是短路電流,0電流時(shí)的電壓是開(kāi)路電壓。
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
圖5. 太陽(yáng)能電池I與V的曲線。x軸:電壓 (V);y軸:電流I (mA)。
 
IV曲線告訴我們電壓和電流如何變化,而且我們可以據(jù)此計(jì)算太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的實(shí)際功率量。圖6所示為功率 (mW) 與電池電壓的關(guān)系曲線。功率就等于V × I。下面的Python方程計(jì)算功率(單位為mW):
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
圖6. 太陽(yáng)能電池功率與電壓的關(guān)系。x軸:電壓 (V);y軸:P – mW。
 
圖中的峰值是產(chǎn)生最大功率的點(diǎn)(所謂最大功率點(diǎn))。SMU吸收電池產(chǎn)生的功率,所以功率為負(fù)值。
 
如果使用圖2中的技術(shù),我們也可以在施加負(fù)電壓(反向偏置)時(shí)測(cè)量太陽(yáng)能電池。這給我們提供了一些有用信息。首先,它告訴我們?cè)撈骷诜聪蚱孟虏粫?huì)擊穿。這表明該器件質(zhì)量很好。其次,它告訴我們是否有任何額外的可用電流。通過(guò)施加負(fù)電壓,我們可以有效地從器件中吸取電荷,否則這些電荷不會(huì)出來(lái)。雖然這些吸取的電荷不能用來(lái)產(chǎn)生功率(我們此時(shí)實(shí)際上是將功率注入器件,而不是提取能量),但通過(guò)它我們可以了解一些光電流損失機(jī)制。因此,測(cè)量IV曲線是太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)和優(yōu)化中最重要的工具之一。同樣,獲得IV曲線對(duì)于了解各類(lèi)其他器件,包括LED和OLED、晶體管、傳感器等等,也非常重要。
 
什么是信號(hào)源測(cè)量單元?
圖7. ADI公司信號(hào)源測(cè)量單元ADALM1000。
 
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
 
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