源測量單元?(SMU)是用于測試各種設(shè)備的電流電壓(I-V)特性的重要儀器。這些設(shè)備包括從晶體管等電子元器件到隨身聽或者醫(yī)療設(shè)備等集成電子產(chǎn)品。?

1. 導(dǎo)言

源測量單元采用閉環(huán)反饋控制，以確保編程的源值（設(shè)定值）正確地應(yīng)用于待測負載。傳統(tǒng)的源測量單元使用模擬硬件來實現(xiàn)控制循環(huán)，但是這種方式有得有失。例如，針對高速測試的寬帶源測量單元通常不適合用于測試需要高穩(wěn)定性的高電容負載。另一方面，針對高電容負載測試的源測量單元也不太適合用于高速測試。事實上，大多數(shù)傳統(tǒng)的源測量單元通常是針對高速測試或高穩(wěn)定性測試而設(shè)計的。即便如此，獲得最佳響應(yīng)仍然十分困難，因為設(shè)計剛好能夠為不同負載提供正確響應(yīng)的電路本身就特別困難。

NI SourceAdapt技術(shù)可幫助您自定義調(diào)整針對給定負載的源測量響應(yīng)，從根本上解決了這個問題。這提供了最佳源測量單元響應(yīng)，同時也可實現(xiàn)最短的穩(wěn)定時間，從而縮短了等待時間和測試時間。此外，該技術(shù)不僅消除了過壓，保護了待測設(shè)備(DUT)，而且也消除了振蕩，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于源測量單元響應(yīng)的調(diào)整是通過編程軟件來完成的，您可以輕松地將針對高速測試的源測量單元重新配置為針對高穩(wěn)定性測試的單元 –這樣可以最大化您的測試設(shè)備投資回報，以及獲得更好的測試結(jié)果。

圖 1. 源測量單元的電容負載響應(yīng)：NI SourceAdapt技術(shù)使您可以對響應(yīng)進行自定義（紅線所示），以實現(xiàn)最大穩(wěn)定性和最短瞬態(tài)響應(yīng)時間

2. 傳統(tǒng)模擬控制循環(huán)的局限性

最根本的問題在于負載會直接影響用于調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的控制循環(huán)傳遞函數(shù)。由此可見，要獲得理想的響應(yīng)，給定負載需具備可配置性。

過去，測試儀器供應(yīng)商采用不同的方式來實現(xiàn)可配置的傳遞函數(shù)。在傳統(tǒng)的方式中，供應(yīng)商在控制循環(huán)的反饋路徑內(nèi)外引入了切換電抗元件，這種方法的局限性在于它的效果、可配置性以及可擴展性。在SourceAdapt技術(shù)可實現(xiàn)的范圍內(nèi)，真正的自定義補償需要我們徹底重新考慮如何構(gòu)建源測量單元控制循環(huán)。

源測量單元的控制循環(huán)是兩個封閉控制循環(huán)的疊加：一個電流閉環(huán)和一個電壓閉環(huán)。圖2a展示了傳統(tǒng)源測量單元的構(gòu)架理念。

圖 2a. 傳統(tǒng)源測量單元簡易圖 注意：控制循環(huán)(V-I Control)是采用模擬硬件組件實現(xiàn)的，所以可配置性非常有限。

V-I Control為電流和電壓賦予了設(shè)定值，其閉環(huán)反饋機制可以精確地控制輸出電壓和電流，使其符合設(shè)定值。整個控制循環(huán)是用放大器以及其他一些有源模擬硬件來實現(xiàn)的。反饋信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)讀取，從而提供了高精度測量。如果要改變構(gòu)架的補償模式，則需要添加分立的電抗元件。從某種程度上說，可以通過使用開關(guān)以編程方式來實現(xiàn)此類調(diào)整，但是這種方法是有局限性和缺陷的。這種方法至多只能讓您從幾個可能實現(xiàn)的配置方案中選擇一個來實施。這并不能滿足針對給定負載優(yōu)化源測量單元響應(yīng)的要求。那么，如何才能隨心所欲地配置控制循環(huán)呢？答案就在于采用全新的構(gòu)架，如圖2b所示。

圖 2b. 全新的NI源測量單元構(gòu)架 注意：控制循環(huán)(V-I Control)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的數(shù)字域內(nèi)。

在這個新構(gòu)架中， V-I Control轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的數(shù)字域內(nèi)。與模擬控制循環(huán)不同，數(shù)字控制循環(huán)可完全通過軟件進行配置，因而我們可以通過優(yōu)化控制循環(huán)來實現(xiàn)針對現(xiàn)有負載的理想響應(yīng)?？刂蒲h(huán)的多樣化實現(xiàn)方式使得SourceAdapt技術(shù)成為可能– 提供針對任意負載的自定義源測量單元響應(yīng)。

圖 3. 全新的數(shù)字V-I Control實現(xiàn)模式

V-I Control包含一個積分器（用于為回路提供直流精確度和一般調(diào)節(jié)功能）以及一個用于實現(xiàn)自定義補償?shù)牧銟O點濾波器。這兩個模塊都是用戶可配置的，所具有的可配置性是模擬控制循環(huán)無法企及的。同時，借助于快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及FPGA的處理能力，整個回路完全可滿足精確源測量應(yīng)用的需求。最終，我們實現(xiàn)了一個可配置性非常強的架構(gòu)，而且無需犧牲性能。

3. 理解SourceAdapt技術(shù)背后的構(gòu)架

基于SourceAdapt技術(shù)，新構(gòu)架通過兩種方式實現(xiàn)了對傳遞函數(shù)的調(diào)節(jié)：其一是調(diào)節(jié)積分器的帶寬增益積(GBW)；第二種方式是將反饋補償器作為超前或者滯后補償器使用，這樣您就可以在任意頻率為傳遞函數(shù)添加零極點對。

增益-帶寬調(diào)節(jié)
輸出路徑上的積分器提供了一個開環(huán)傳遞函數(shù)，看上去類似于波特量(增益裕度[1])和相位裕度[2] 圖上運算放大器的開環(huán)傳遞函數(shù)。

圖 4a. 積分器開環(huán)傳遞函數(shù)（左：增益裕度；右：相位裕度）

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圖 4b. 空載輸出時對應(yīng)的1 V階躍響應(yīng)（對應(yīng)圖4a的傳遞函數(shù)）

通過調(diào)節(jié)積分器的增益或者回路的增益帶寬積，就可以調(diào)整回路的總體響應(yīng)，使響應(yīng)行為變得：

更慢但更穩(wěn)定，例如采用3 kHz的帶寬增益和87.34的相位裕度（參見圖5a和5b）

更快速，例如采用20 kHz的帶寬增益（參見圖6a和6b）

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圖 5a. 3 kHz增益帶寬積和87.34相位裕度時的響應(yīng)較為緩慢，但更穩(wěn)定

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圖 5b. 空載輸出時對應(yīng)的１V階躍響應(yīng)（對應(yīng)圖5a的傳遞函數(shù)）

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圖 6a. 20kHz增益帶寬積和72.23相位裕度時的響應(yīng)較快速

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圖 6b. 空載輸出時對應(yīng)的1V階躍響應(yīng)（對應(yīng)6a的傳遞函數(shù)）

4. 無功負載條件下

如果要使較不穩(wěn)定的無功負載變得較為穩(wěn)定，只需減慢回路的運行速度即可實現(xiàn)。圖7a和7b顯示了使用電容作為負載的控制循環(huán)的行為。電容器產(chǎn)生極性時的頻率與電容和輸出階段分流電阻成反比，此時增益和相位也會受到影響。圖7a展示了負載為0.1 μF電容器時的開環(huán)頻率響應(yīng)。圖7b顯示了相應(yīng)的階躍響應(yīng)。

圖 7a. 0.1 μF電容作為負載時開環(huán)傳遞函數(shù)臨界穩(wěn)定

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圖 7b. 0.1 μF電容器負載：對應(yīng)的1 V階躍響應(yīng)

圖7b所示的響應(yīng)為欠阻尼響應(yīng)，產(chǎn)生了過壓，且需要較長時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。調(diào)節(jié)增益帶寬積可以使系統(tǒng)具有更好的表現(xiàn)。如果您最希望實現(xiàn)的是完全消除過壓，則可以通過減慢回路的運行速度來獲得響應(yīng)，而不產(chǎn)生任何過壓。圖8a和8b顯示了增益帶寬積為500 Hz的緩慢響應(yīng)，可完全消除過壓。

圖 8a. 500 Hz增益帶寬積時的開環(huán)傳遞函數(shù)（負載：0.1 μF電容器）

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圖 8b. 500 Hz增益帶寬積時對應(yīng)的1 V階躍響應(yīng)（上升時間約為1 ms）

盡管消除了過壓，但系統(tǒng)響應(yīng)變得很慢。為了獲得最優(yōu)響應(yīng)，可采用第二種方法來調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)：使用反饋補償器（作為超前或者滯后補償器）

5. 使用反饋補償器

SourceAdapt技術(shù)提供了另一種工具來優(yōu)化響應(yīng)：反饋補償器。我們繼續(xù)沿用前面的例子，我們的目標(biāo)是實現(xiàn)快速上升時間的同時避免過壓和振蕩。這個目標(biāo)可以通過使用補償器來抵消由電容器產(chǎn)生的極效應(yīng)來實現(xiàn)。采用這種控制方式，我們可以進一步增大增益帶寬積，在保持穩(wěn)定的同時來獲得更短的上升時間。圖9a對比了增益帶寬積增加到20 kHz時，使用補償器和不使用補償器兩種情況下的增益裕度和相位裕度響應(yīng)的對比。

圖 9a. 有無補償器時的開環(huán)傳遞函數(shù)對比（增益帶寬積：20 kHz；負載：0.1 μF電容器）

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圖 9b. 增益帶寬積為20 kHz和使用補償器時對應(yīng)的1 V 階躍響應(yīng)（上升時間：~100 μs）

如圖9b所示，該響應(yīng)非常理想：上升時間減少了10X，沒有過壓，穩(wěn)定性優(yōu)良——相位裕度為45°左右。

6. 結(jié)論

本文描述了配置源測量單元傳遞函數(shù)以針對各種負載提供理想響應(yīng)的必要性，以及如何借助全新的NI SourceAdapt技術(shù)來實現(xiàn)理想的可配置性?；赟ourceAdapt技術(shù)，您現(xiàn)在可以針對任意負載完全自定義源測量單元響應(yīng)，以獲得最短的上升時間，且不會出現(xiàn)任何過壓和振蕩。您還可以更快速地測試待測設(shè)備，而且不會出現(xiàn)意外損壞或者破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性的風(fēng)險。

NI LabVIEW嵌入式技術(shù)的最新發(fā)展將LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用擴展至現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，使得SourceAdapt技術(shù)成為可能。

[1] 增益裕度是指導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的開環(huán)增益變化范圍。
[2] 相位裕度是指導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定的開環(huán)相移變化范圍。