自20年前推出SMU以来，源丈量单元(SMUs)已演变成一个多用处的仪器类别，人们常常要求SMU处理电子职业运用的快速扩展阵列：
半导体设备制作，工艺开发和产品研制/规划
电子产品的出产验证，如便携式无线设备
器材所需新式先进资料的出产和开发，如太阳能电池和高亮度LED
简直一切电子设备的测验运用程序
在讨论界说SMU技能要素之前，精确界说SMU是什么(不是什么)会很有协助。本质上讲，SMU是快速呼应、能够回读电压和电流的源，具有高精度丈量的才能，严密地集成在单关闭机箱内。它们规划用于线路和设备评价，有必要在测验设备上(DUT)施加一个直流信号，并且需求对被测信号做出呼应。SMU具有四象限运转(图1)的才能，作为正负直流电源或吸收(负载)。它们还供给高度可重复的丈量，一般具有5½-或6½-的数字分辨率。 SMU一般对用于确认被测设备I-V特性的电流和电压进行扫描。因为这些优势，SMU已被广泛地运用在工业范畴，并且是许多主动化测验体系的通用部件。
图1 四象限SMU规划
有些建议与此相反，认为传统仪器在测验与丈量职业依然是一个重要的、逐步增多的部件。尽管特定的通讯接口(GPIB，RS – 232等)或许会跟着时刻的推移而过期，可是在体系中独自运用或与其它SMU集成运用的依据仪器的SMU，一般为宽规模需求的运用供给最快、最精确、最灵敏的处理计划。“部件”SMU往往献身他们的功用以供给一个特定的外形因子。
最宽的可用功率和信号规模
针对多类型设备的测验，希望测验设备具有作业在宽规模信号等级的才能。例如，功率MOSFET导通时的电阻十分低，经过极大的电流，可是关断时的电阻十分高，并答应流过简直为零的电流。MOSFET处于注册状况时，电流高达几十安培，关断时电流或许小于纳安培。功率二极管和高亮度发光二极管具有类似的动态规模要求，其悉数特性也类似。关于这类器材，当施加的正向偏置电压低于阈值电压时，流过器材的电流十分低。当电压从0V至阈值电压扫描时，器材的电流从亚纳安规模上升到毫安级。当偏置电压到达并超越阈值电压时，测验电流快速添加，到达几十乃至几百安培，这个电流值取决于设备。希望测验设备能在宽规模内具有精确丈量的才能，这样能够削减所需测验设备的数量，然后下降体系的复杂性和本钱。
图2 吉时利SMU和竞赛对手的动态规模比较
吉时利数字源表®仪器结合了大部分单一仪器最宽规模信号的最大才能。类型2651A高功率源表可供给高达200W的直流电源和2000W的脉冲功率。它能够丈量高达50A的电流，具有最大分辨率为1pA的丈量才能。类型2636A动态规模上抢先于职业，具有丈量10A降至1fA信号的才能，供给160位电流分辨率。
一些依据SMU仪器的竞赛对手声称，类型2636A双通道体系源表仪器具有相同的动态掩盖规模，丈量10A降至10fA的信号。可是，当比较每一个SMU(图2)丈量规模时，很明显类型2636A在电流幅值上比竞赛产品低两个数量级。这意味着类型2636A不是有必要依靠其丈量规模的最低有用位和最低精度位来完结实在的宽动态规模。关于仪器用户，在低电流丈量的精确度方面供给了更大的决心。
部件SMU的供货商也声称他们的宽规模掩盖性。可是，这些外形因子约束了他们的动态规模，使其比依据SMU的Keithley仪器小几十倍。在高端规模，他们受限于设备能够供给多大的功率，大多数部件SMU最大输出100mA的电流。在低端规模，关于各种实践的低压丈量，一切规划在较小空间、具有不充分屏蔽的线路的电磁搅扰会发生过多的电噪声。成果便是一般看不到部件SMU的任何电流低于10微安。
最快的模数转换器
测验设备制作商总是极力推进从SMU每秒读出更多的读数。SMU的数字引擎得到晋级，通讯信道的带宽添加，但终究进步速度最有用的办法便是下降丈量自身的时刻。因为出色的抗噪才能，大多数SMU运用积分模数转换器(ADC)来进行丈量，并能够更好的取得精确的高分辨率成果。可是，从积分ADC得到的丈量的质量直接与时刻相关，因为它被逼运转的很快，因而丈量的质量被下降。
经过将输入信号的值转换为输入电压电平给电容充电的时刻和反极性参阅电压给电容放电的时刻之间的联系，那么积分ADC能够发生出色的丈量成果。关于一个规范双斜率积分ADC，这种联系表明为Vin = VREF(td / tc)，其间Vin是被测信号，Vref是参阅电压，td是电容放电时刻，tc是电容充电的时刻。经过对电容充电一段时刻，输入信号的噪声尖峰经过均匀后输出，因而在丈量中最大程度地削减了噪声，进步了精度。对充放电周期中固定速率时钟的时钟周期进行计数，以此来丈量电容进行充放电的时刻。假定tc和td为时钟周期数，由这个方程能够看出，精度是由%&&&&&%充电(tc)的时刻所供给的。当答应流过更长时刻时，tc计数变得更大，它进步了参阅电压(Vref)被拆分的步长数。简略地说，tc计数变长，丈量的分辨率将会添加。
从这个等式能够看到仪器制作商可操控的变量是充电时刻(tc)。为了加速丈量，有必要答应积分ADC具有更少的充电时刻，可是这样做会下降丈量的分辨率。吉时利数字源表仪器运用积分ADC，可是为了应对速度进步带来的分辨率的丢失，他们引入了具有增强型多斜坡下降办法的积分ADC来代替更多的传统的双斜率办法。增强型多斜率下降积分ADC采用了多种立异技能以加速放电时刻，答应在不下降充电时刻的前提下进步速度，这样就保证了终究的丈量分辨率。这品种型的积分ADC怎么作业已超出本文的规模，但可在其它当地找到完好的描绘。运用多斜率下降办法的立异技能答应吉时利运用积分型ADC的 SMU得到业界最快的高分辨率读数。
吉时利2600A系列数字源表仪器运用增强型多斜率下降积分型ADC，具有每秒读取20000个读数的才能。可是，关于需求更快丈量的运用，积分ADC丢失了分辨率和精度，因而有必要运用不同类型的ADC。
吉时利类型2651A高功率源表仪器包含一个积分ADC和18位高速数字化ADC，具有每秒读出高达百万个读数的才能。运用此高速ADC，2651A具有市面上一切SMU中最高的读出速率，一起仍坚持高的丈量分辨率。
图3：类型2651A的18位高速数字化ADC捕获300微秒50A的脉冲
图3解说了类型2651A高数字化ADC的才能。此ADC运用400个采样和一微秒的时刻距离，使得它能够完好捕获悉数300微秒50A的脉冲。有了这样的功用，类型2651A不需求额定的测验设备，也能够精确地捕捉设备的瞬态及热效应。
多通道的可扩展性
不管单个SMU或许的速度有多快，当集成到体系中功用下降的话，它的长处也被糟蹋。部件SMU本质上较少受这个问题的影响，这要归功于他们的高速及经过PCI或PCIe背板(133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1)衔接到主机体系的低推迟。相反地，依据仪器的SMU是经过外部总线如GPIB和主机体系进行通讯，GPIB的速度仅仅背板速度(1.8MB / s规范)的一小部分。吉时利的工程师在规划2600A系列源表仪器时认识到了这点，并经过运用测验脚本处理器(TSP®)使其脱离主机体系自主运作，并经过称为TPS-Link®的技能的高速、低推迟总线进行彼此通讯和同步。
传统的依据仪器源丈量单元(SMU)要求每次从主机的一条总线传送一个指令，因为一切外表共用一条总线，每次只能供一个外表运用和通讯。因为总线速度缓慢，大部分时刻用于在总线和外表之间发送指令和数据，而其他外表常常搁置。TSP技能答应仪器自主运转主机体系的测验脚本，简直省去了传输指令的时刻。一旦脚本装入依据TSP的源丈量外表，就能够履行整个测验序列，主机只需求传送一个指令：指示仪器运转脚本。
图4：TSP-Link网络实例，含3个源数据外表
TSP-Link省去了衔接多个源数据外表的需求，只需一条带宽有限的GPIB总线就能够满意需求。有了TSP-Link技能，只需将一个源数据外表与GPIB总线相连，其他源数据外表则与“菊花链”装备(经过廉价的CAT5e穿插线衔接)相连。首要，经过TSP-Link技能将其他源数据外表衔接，这些外表的源丈量单元(SMU)以第一个源数据外表的额定源丈量单元(SMU)通道办法呈现，经过在第一个源数据外表上运转脚本就能够快速拜访。
与组件源丈量单元(SMU)不同，运用TSP-Link技能完结的通道扩展不限于主机的少量插槽。TSP-Link技能的无主机扩展最多答应衔接32个外表，有或许创立一个包含64个源丈量单元(SMU)通道的体系。此外，因为源丈量单元(SMU)是依据外表的，可用电源数量不限于底板供给的电源。即便在依据大功率组件源丈量单元(SMU)体系中，某些类型也只能供给最大84W的电源。经过接口TSP-Link能够衔接32个2651A型大功率源数据外表，这样创立的体系就能够供给6.4kW直流电源。
TSP-Link技能供给了一流的体系扩展办法，不需求贵重的GPIB适配器和线缆，并且经过很多削减外表与主机之间通讯数量，能够进步体系吞吐量。不过，TSP-Link技能的实在功率在于其同步运转多个测验进步吞吐量的才能。除了源丈量单元(SMU)，不管它们是在底板上依据组件的SMU仍是在GPIB总线上依据外表的SMU，拜访总线是受限的，主机每次有必要向每个SMU发送指令。为体系添加更多的SMU意味着添加主机有必要处理的器材数量，主机有必要向其发送指令。因为在这些体系中，每次只能向一个SMU发送指令，因而一切测验都有必要按次序进行。
再经过TSP-Link接口衔接的体系中，能够对网络中的外表进行分组，每组具有自己的测验脚本处理器，能够与体系中的任何其他组并行运转脚本。分组中能够包含单一源数据表或多个源数据表，并且一般能够依据测验器材所需的SMU通道数量进行分组。例如，假如正在测验的器材是一个四端口(栅极、漏极、源极、基极)MOSFET，对晶圆进行测验，并且每个管脚需求一个SMU，那么能够将其分组为两个双通道源数据表，如2636A型双通道体系源数据表。一旦确认分组并且为每组指定运转的脚本，主机就能够经过一个指令指示一切组开端并行运转。因为在内存中现已存储每组的脚本，主机只需再次发送指令就能够进行重复测验。
以晶片上的4端口MOSFET为例，假定一个TSP-Link网络包含一个组以及一个完好的测验序列，过程如下：
主机发送开端履行的指令。
脚本运转并对器材进行一系列完好的测验。
数据反应至主机，一起勘探台将探针移至下一个测验点。
假如整个序列需求1秒钟完结，那么照此速度，每分钟就能够测验60个点位。假如为TSP-Link网络添加别的一组，测验依然只需1秒钟完结。不过，添加第二组后，有或许对两个器材并行测验，因而吞吐量将翻倍，即每分钟测验120个点位。运用TSP-Link技能，只需为网络添加分组，就能够进步体系吞吐量。
支撑最大功用的I/O衔接器
吉时利工程师为源数据表挑选了输入/输出衔接器，旨在为方针运用供给最大功用。关于中级信号规模，banana衔接十分合适传输信号并供给最大的易用性，这也是2400 系列源数据表供给这种衔接的原因。不过，关于那些电流很大或很小的运用H，banana衔接则不能支撑所需的功用等级，沿袭有必要运用其他衔接器。
关于像2651A型大功率源数据表这样的大电流源数据表，其直流电流高达20A，脉冲电流高达50A。
常见的banana衔接器的额定电流是15A，触摸电阻高达10 mΩ。在50A电流时，仅这个触摸电阻就将带来0.5V的压降。吉时利挑选运用功用更优的菲尼克斯衔接器，其额定电流高达76A DC。这种衔接器的电流容量额定值不只足以满意2651A型外表需求，并且其触摸电阻十分低，不会在测验引线发生过大的压降，然后完结了功用最大化，减缓上升和安稳时刻。菲尼克斯衔接器的额定触摸电阻仅为0.3 mΩ，在50A电流时的压降仅为15mV。为了便于器材衔接，衔接器与螺旋式接线柱已进行匹配，进步了易用性。
关于电流低于1毫微安培的运用，挑选走漏电流最小并支撑所需电压的衔接器十分重要。这也是吉时利公司的源数据表，如237型高压源丈量单元、2636A型双通道体系源数据表以及6430型亚FA程控数据源表，都运用三轴衔接器的原因。规范的三轴衔接器能够在1500V高压下安全运转，并包含这些外表的输出电压容量。不过，运用三轴衔接器的最大好处是将漏电流减到最小，实践上经过维护测验信号，简直能够根绝漏电流。
解说受维护三轴衔接能够消除漏电流的最简略办法是将其与未受维护得同轴衔接进行比较。同轴衔接是在中心导体周围包裹一层屏蔽，二者之间是绝缘层。SMU的HI信号施加到中心导体，LO信号加于屏蔽层，如图5所示。
图5： 未受维护的同轴衔接
在同轴衔接中，中心导体和屏蔽层之间的绝缘体构成阻抗途径(RL)，它以并联办法与待测器材(RDUT)相连。这个额定的电流途径发生漏电流(IL)，叠加到经过待测器材的电流(IDUT)，得到丈量电流(IM)。
假定RDUT是200GΩ，测验电压是200V。依据欧姆定律(I = V/R)可知，估计经过待测器材的电流是200V/200GΩ = 1nA。同轴电缆绝缘体的典型阻抗大约是2TΩ/米，因而假定电缆长度是1米，那么因为电缆走漏流出的电流便是200V/2TΩ = 100pA。考虑到丈量得到的电流是经过待测器材电流和漏电流之和，因而丈量得到的电流是1.1nA (1nA + 100pA = 1.1nA)。因而，计算出来的电阻是181.818GΩ (200V/1.1nA = 181.818GΩ)，差错为9.1% [(200GΩ – 181.818GΩ)/200GΩ * 100% = 9.1%]。跟着电缆长度的添加，走漏电阻也随之减小，漏电流就更大;因而，在同轴衔接中因走漏带来的差错就更大。
相反，运用三轴衔接，中心导体被内部屏蔽层和外部屏蔽层所围住。与同轴衔接类似，中心导体传输HI信号，外部屏蔽层传输LO信号。可是，内部屏蔽层有一个专门用处：传输维护信号。
图6： 受维护的三轴衔接
维护信号由单位增益、低阻抗放大器驱动，它跟着HI信号电压而改变。经过使三轴线缆内部屏蔽层电压与中心导体电压相同，那么中心导体与绝缘体(RL1)之间的电势便是0V，然后根绝了漏电流(IL)。
从上面的比如中能够看出，即便阻抗十分高的绝缘体也能够走漏较大的电流，并给丈量成果带来较大差错。吉时利公司的源丈量单元(SMU)(低电流)运用天然的三轴衔接，保证从外表到电缆端口之间不存在漏电流途径。某些SMU运用匹配器将banana衔接转换为三轴衔接。尽管这完结了从外表到待测器材的直接衔接，但外表与适配器之间的衔接仍无法得到维护，然后留下电流走漏途径。假如外表和适配器没有定时清洗，那么操作员皮肤的油污就或许在端口之间构成相对低的阻抗，这将成为一个十分重要的问题。吉时利公司的源数据表运用天然的三轴衔接，保证从根本上根绝这些常常被忽视的走漏途径。
SMU技能抢先
吉时利公司现在的SMU技能抢先地位是从20世纪80年代以来数十年的外表工程规划和开发尽力的成果，包含一系列广泛的SMU相关专利：
运用N沟道和P沟道FET完结规模改变(5，144，154)
运用电流/电压约束完结电压/电流源操控(5，039，934)
电流操控高压固态开关(5，146，100)
受维护的印制电路板岛(5，490，325)
测验触摸点衔接查看办法与电路(5，886，530)
遥控外表触摸查看(5，999，002)
运用二次反应完结失灵SMU的规模改变(具有二次反应的源丈量单元，消除规模改变其间的瞬变) (6，262，670)
低噪声电源变压器(7，009，486)
主动确认规模的电流分流(自装备电流丈量) (7，276，893)
源丈量电路(阻抗隐瞒) 7，202，676
大容量载荷测验(7，800，380)
测验外表网络(动态TSP-Link网络细分(DTNS)) (7，680，621)
现在，吉时利具有丈量与测验业界技能最先进外表SMU出产线，推出4种不同品种的源丈量单元(SMU)，包含从台式测验到大吞吐量出产测验等多种测验，具有最广泛的动态规模。
• 237型高压SMU具有10fA、10µV丈量灵敏度，高达1100V源和丈量电压。它是作为230系列产品之一于20世纪80年代推出的，现在237型SMU依然用于高压参数测验范畴，包含双极-CMOS-DMOS (BCD)技能的工艺操控和可靠性监控。
• 6430型亚fA程控源数据表集成了SMU的电压和电流源以及丈量功用，比静电计灵敏度更高、噪声更低、输入阻抗更高。高达10aA的灵敏度使得它成为测验实验室评价实验组件的重要仪器，合适低电流、高阻抗或高灵敏度半导体丈量。其低噪声和低漂移特性还使得它十分合适单电子器材、高阻抗纳米线和纳米管、聚合物以及其他高阻抗纳米资料的科学研究。
• 2400系列源数据表性价比高，合适台式 (交互) 以及速度较低的集成体系测验。公司最新推出2401型低压源数据表，这样2400系列产品就能够为研究人员和体系构建人员供给8种不同的外表级处理计划，满意其动态规模需求。这些计划供给的丈量规模广泛，不存在外表局限性，能够满意各种丈量要求。
• 2600A系列体系源数据表集丈量速度、丈量完好性以及体系级吞吐量于一体，合适高速出产测验体系以及PC操控测验台运用。公司最新推出的2651A型外表，使得该系列产品支撑高达200W DC和2000W的脉冲测验需求。
结束语
吉时利公司将持续稳固和扩展SMU的抢先地位，为用户供给各种重要丈量东西，满意其直流特性剖析和丈量需求。
