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

1. 導言

源測量單元采用閉環反饋控制，以確保編程的源值（設定值）正確地應用于待測負載。傳統的源測量單元使用模擬硬件來實現控制循環，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，大多數傳統的源測量單元通常是針對高速測試或高穩定性測試而設計的。即便如此，獲得最佳響應仍然十分困難，因為設計剛好能夠為不同負載提供正確響應的電路本身就特別困難。

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

由于源測量單元響應的調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定性測試的單元 –這樣可以最大化您的測試設備投資回報，以及獲得更好的測試結果。

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

2. 傳統模擬控制循環的局限性

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

過去，測試儀器供應商采用不同的方式來實現可配置的傳遞函數。在傳統的方式中，供應商在控制循環的反饋路徑內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技術可實現的范圍內，真正的自定義補償需要我們徹底重新考慮如何構建源測量單元控制循環。

源測量單元的控制循環是兩個封閉控制循環的疊加：一個電流閉環和一個電壓閉環。圖2a展示了傳統源測量單元的構架理念。

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

V-I Control為電流和電壓賦予了設定值，其閉環反饋機制可以精確地控制輸出電壓和電流，使其符合設定值。整個控制循環是用放大器以及其他一些有源模擬硬件來實現的。反饋信號由模數轉換器(ADC)讀取，從而提供了高精度測量。如果要改變構架的補償模式，則需要添加分立的電抗元件。從某種程度上說，可以通過使用開關以編程方式來實現此類調整，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化源測量單元響應的要求。那么，如何才能隨心所欲地配置控制循環呢？答案就在于采用全新的構架，如圖2b所示。

圖 2b. 全新的NI源測量單元構架 注意：控制循環(V-I Control)轉移到現場可編程門陣列(FPGA)的數字域內。

在這個新構架中， V-I Control轉移到現場可編程門陣列(FPGA)的數字域內。與模擬控制循環不同，數字控制循環可完全通過軟件進行配置，因而我們可以通過優化控制循環來實現針對現有負載的理想響應。控制循環的多樣化實現方式使得SourceAdapt技術成為可能– 提供針對任意負載的自定義源測量單元響應。

圖 3. 全新的數字V-I Control實現模式

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節功能）以及一個用于實現自定義補償的零極點濾波器。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無法企及的。同時，借助于快速模數轉換器和數模轉換器以及FPGA的處理能力，整個回路完全可滿足精確源測量應用的需求。最終，我們實現了一個可配置性非常強的架構，而且無需犧牲性能。

3. 理解SourceAdapt技術背后的構架

基于SourceAdapt技術，新構架通過兩種方式實現了對傳遞函數的調節：其一是調節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添加零極點對。

增益-帶寬調節
輸出路徑上的積分器提供了一個開環傳遞函數，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傳遞函數。

圖 4a. 積分器開環傳遞函數（左：增益裕度；右：相位裕度）

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圖 4b. 空載輸出時對應的1 V階躍響應（對應圖4a的傳遞函數）

通過調節積分器的增益或者回路的增益帶寬積，就可以調整回路的總體響應，使響應行為變得：

更慢但更穩定，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相位裕度時的響應較為緩慢，但更穩定

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圖 5b. 空載輸出時對應的１V階躍響應（對應圖5a的傳遞函數）

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圖 6a. 20kHz增益帶寬積和72.23相位裕度時的響應較快速

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圖 6b. 空載輸出時對應的1V階躍響應（對應6a的傳遞函數）

4. 無功負載條件下

如果要使較不穩定的無功負載變得較為穩定，只需減慢回路的運行速度即可實現。圖7a和7b顯示了使用電容作為負載的控制循環的行為。電容器產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電容器時的開環頻率響應。圖7b顯示了相應的階躍響應。

圖 7a. 0.1 μF電容作為負載時開環傳遞函數臨界穩定

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圖 7b. 0.1 μF電容器負載：對應的1 V階躍響應

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

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

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

盡管消除了過壓，但系統響應變得很慢。為了獲得最優響應，可采用第二種方法來調節傳遞函數：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技術提供了另一種工具來優化響應：反饋補償器。我們繼續沿用前面的例子，我們的目標是實現快速上升時間的同時避免過壓和振蕩。這個目標可以通過使用補償器來抵消由電容器產生的極效應來實現。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的對比。

圖 9a. 有無補償器時的開環傳遞函數對比（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的1 V 階躍響應（上升時間：~100 μs）

如圖9b所示，該響應非常理想：上升時間減少了10X，沒有過壓，穩定性優良——相位裕度為45°左右。

6. 結論

本文描述了配置源測量單元傳遞函數以針對各種負載提供理想響應的必要性，以及如何借助全新的NI SourceAdapt技術來實現理想的可配置性。基于SourceAdapt技術，您現在可以針對任意負載完全自定義源測量單元響應，以獲得最短的上升時間，且不會出現任何過壓和振蕩。您還可以更快速地測試待測設備，而且不會出現意外損壞或者破壞系統穩定性的風險。

NI LabVIEW嵌入式技術的最新發展將LabVIEW圖形化開發環境的應用擴展至現場可編程門陣列(FPGA)，使得SourceAdapt技術成為可能。

[1] 增益裕度是指導致系統不穩定的開環增益變化范圍。
[2] 相位裕度是指導致閉環系統不穩定的開環相移變化范圍。