NI SourceAdapt技术：新一代源测量单元技术 电子元器件, 电子产品, 随身听, 晶体管, 测量

pengpengpang

源测量单元 (SMU)是用于测试各种设备的电流电压(I-V)特性的重要仪器。这些设备包括从晶体管等电子元器件到随身听或者医疗设备等集成电子产品。
1. 导言
源测量单元采用闭环反馈控制，以确保编程的源值（设定值）正确地应用于待测负载。传统的源测量单元使用模拟硬件来实现控制循环，但是这种方式有得有失。例如，针对高速测试的宽带源测量单元通常不适合用于测试需要高稳定性的高电容负载。另一方面，针对高电容负载测试的源测量单元也不太适合用于高速测试。事实上，大多数传统的源测量单元通常是针对高速测试或高稳定性测试而设计的。即便如此，获得最佳响应仍然十分困难，因为设计刚好能够为不同负载提供正确响应的电路本身就特别困难。
NI SourceAdapt技术可帮助您自定义调整针对给定负载的源测量响应，从根本上解决了这个问题。这提供了最佳源测量单元响应，同时也可实现最短的稳定时间，从而缩短了等待时间和测试时间。此外，该技术不仅消除了过压，保护了待测设备(DUT)，而且也消除了振荡，确保了系统的稳定性。
由于源测量单元响应的调整是通过编程软件来完成的，您可以轻松地将针对高速测试的源测量单元重新配置为针对高稳定性测试的单元 –这样可以最大化您的测试设备投资回报，以及获得更好的测试结果。


图 1. 源测量单元的电容负载响应：NI SourceAdapt技术使您可以对响应进行自定义（红线所示），以实现最大稳定性和最短瞬态响应时间
2. 传统模拟控制循环的局限性
最根本的问题在于负载会直接影响用于调节输出电压或电流的控制循环传递函数。由此可见，要获得理想的响应，给定负载需具备可配置性。
过去，测试仪器供应商采用不同的方式来实现可配置的传递函数。在传统的方式中，供应商在控制循环的反馈路径内外引入了切换电抗元件，这种方法的局限性在于它的效果、可配置性以及可扩展性。在SourceAdapt技术可实现的范围内，真正的自定义补偿需要我们彻底重新考虑如何构建源测量单元控制循环。
源测量单元的控制循环是两个封闭控制循环的叠加：一个电流闭环和一个电压闭环。图2a展示了传统源测量单元的构架理念。


图 2a. 传统源测量单元简易图 注意：控制循环(V-I Control)是采用模拟硬件组件实现的，所以可配置性非常有限。
V-I Control为电流和电压赋予了设定值，其闭环反馈机制可以精确地控制输出电压和电流，使其符合设定值。整个控制循环是用放大器以及其他一些有源模拟硬件来实现的。反馈信号由模数转换器(ADC)读取，从而提供了高精度测量。如果要改变构架的补偿模式，则需要添加分立的电抗元件。从某种程度上说，可以通过使用开关以编程方式来实现此类调整，但是这种方法是有局限性和缺陷的。这种方法至多只能让您从几个可能实现的配置方案中选择一个来实施。这并不能满足针对给定负载优化源测量单元响应的要求。那么，如何才能随心所欲地配置控制循环呢？答案就在于采用全新的构架，如图2b所示。


图 2b. 全新的NI源测量单元构架 注意：控制循环(V-I Control)转移到现场可编程门阵列(FPGA)的数字域内。
在这个新构架中， V-I Control转移到现场可编程门阵列(FPGA)的数字域内。与模拟控制循环不同，数字控制循环可完全通过软件进行配置，因而我们可以通过优化控制循环来实现针对现有负载的理想响应。控制循环的多样化实现方式使得SourceAdapt技术成为可能– 提供针对任意负载的自定义源测量单元响应。


图 3. 全新的数字V-I Control实现模式
V-I Control包含一个积分器（用于为回路提供直流精确度和一般调节功能）以及一个用于实现自定义补偿的零极点滤波器。这两个模块都是用户可配置的，所具有的可配置性是模拟控制循环无法企及的。同时，借助于快速模数转换器和数模转换器以及FPGA的处理能力，整个回路完全可满足精确源测量应用的需求。最终，我们实现了一个可配置性非常强的架构，而且无需牺牲性能。
3. 理解SourceAdapt技术背后的构架
基于SourceAdapt技术，新构架通过两种方式实现了对传递函数的调节：其一是调节积分器的带宽增益积(GBW)；第二种方式是将反馈补偿器作为超前或者滞后补偿器使用，这样您就可以在任意频率为传递函数添加零极点对。
增益-带宽调节
输出路径上的积分器提供了一个开环传递函数，看上去类似于波特量(增益裕度[1])和相位裕度[2] 图上运算放大器的开环传递函数。


图 4a. 积分器开环传递函数（左：增益裕度；右：相位裕度）


图 4b. 空载输出时对应的1 V阶跃响应（对应图4a的传递函数）
通过调节积分器的增益或者回路的增益带宽积，就可以调整回路的总体响应，使响应行为变得：
更慢但更稳定，例如采用3 kHz的带宽增益和87.34的相位裕度（参见图5a和5b）更快速，例如采用20 kHz的带宽增益（参见图6a和6b）

图 5a. 3 kHz增益带宽积和87.34相位裕度时的响应较为缓慢，但更稳定


图 5b. 空载输出时对应的１V阶跃响应（对应图5a的传递函数）


图 6a. 20kHz增益带宽积和72.23相位裕度时的响应较快速


图 6b. 空载输出时对应的1V阶跃响应（对应6a的传递函数）
4. 无功负载条件下
如果要使较不稳定的无功负载变得较为稳定，只需减慢回路的运行速度即可实现。图7a和7b显示了使用电容作为负载的控制循环的行为。电容器产生极性时的频率与电容和输出阶段分流电阻成反比，此时增益和相位也会受到影响。图7a展示了负载为0.1 μF电容器时的开环频率响应。图7b显示了相应的阶跃响应。


图 7a. 0.1 μF电容作为负载时开环传递函数临界稳定


图 7b. 0.1 μF电容器负载：对应的1 V阶跃响应
图7b所示的响应为欠阻尼响应，产生了过压，且需要较长时间才能达到稳定状态。调节增益带宽积可以使系统具有更好的表现。如果您最希望实现的是完全消除过压，则可以通过减慢回路的运行速度来获得响应，而不产生任何过压。图8a和8b显示了增益带宽积为500 Hz的缓慢响应，可完全消除过压。


图 8a. 500 Hz增益带宽积时的开环传递函数（负载：0.1 μF电容器）


图 8b. 500 Hz增益带宽积时对应的1 V阶跃响应（上升时间约为1 ms）
尽管消除了过压，但系统响应变得很慢。为了获得最优响应，可采用第二种方法来调节传递函数：使用反馈补偿器（作为超前或者滞后补偿器）
5. 使用反馈补偿器
SourceAdapt技术提供了另一种工具来优化响应：反馈补偿器。我们继续沿用前面的例子，我们的目标是实现快速上升时间的同时避免过压和振荡。这个目标可以通过使用补偿器来抵消由电容器产生的极效应来实现。采用这种控制方式，我们可以进一步增大增益带宽积，在保持稳定的同时来获得更短的上升时间。图9a对比了增益带宽积增加到20 kHz时，使用补偿器和不使用补偿器两种情况下的增益裕度和相位裕度响应的对比。


图 9a. 有无补偿器时的开环传递函数对比（增益带宽积：20 kHz；负载：0.1 μF电容器）


图 9b. 增益带宽积为20 kHz和使用补偿器时对应的1 V 阶跃响应（上升时间：~100 μs）
如图9b所示，该响应非常理想：上升时间减少了10X，没有过压，稳定性优良——相位裕度为45°左右。
6. 结论
本文描述了配置源测量单元传递函数以针对各种负载提供理想响应的必要性，以及如何借助全新的NI SourceAdapt技术来实现理想的可配置性。基于SourceAdapt技术，您现在可以针对任意负载完全自定义源测量单元响应，以获得最短的上升时间，且不会出现任何过压和振荡。您还可以更快速地测试待测设备，而且不会出现意外损坏或者破坏系统稳定性的风险。
NI LabVIEW嵌入式技术的最新发展将LabVIEW图形化开发环境的应用扩展至现场可编程门阵列(FPGA)，使得SourceAdapt技术成为可能。
[1] 增益裕度是指导致系统不稳定的开环增益变化范围。
[2] 相位裕度是指导致闭环系统不稳定的开环相移变化范围。