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。
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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。
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),。
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：
VBuffB[t]– VBuffA[t]– IBuffB[t] × 100 ?
VBuffB[t]– VBuffA[t]– IBuffB[t] × 100 ?
4.
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。
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(chēng)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(chēng)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。
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)：
P = VBuffA[t] × IBuffA[t] × 1000
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,。
圖7.ADI公司信號(hào)源測(cè)量單元ADALM1000,。