什麼是信號源測量單元 (SMU)?

作者：Doug Mercer

信號源測量單元 (SMU) 是一種將信號源功能和測量功能結合在同一引腳或連接器上的儀器。它可以提供電壓或電流，並同時測量電壓和/或電流。它將電源或函數發生器、數字萬用表 (DMM) 或示波器、電流源及電子負載的功能集成到單個緊密同步的儀器中。

圖1. 一個ADALM1000 SMU通道的框圖。

ADALM1000本質上是一款信號源測量單元，但也可將其視為獨立的 示波器和函數發生器。但當分而視之時，由於輸出功能（發生器）和輸入功能（示波器）共用一個引腳，因此一次只能使用一個功能。

對於某些類型的測試，可編程儀器可能並不重要。您可能只想讀取一次或少量次數。但有很多情況下，可能需要收集大量數據，以便生成性能隨時間變化的曲線或圖表。不過，手動操作的話會非常耗時且易於出錯。

還有大量不同的實驗要求自動收集數據以獲得更快速或更準確的測量結果，或者獲取長時間尺度（數月甚至幾年）的測量結果。此時，您肯定需要一台計算機來收集數據並將其導出到資料庫中進行分析。

不是所有實驗都需要負電壓，在某些情況下，您可以避免使用。但是，如果施加正電壓或負電壓，許多不同類型的器件會以不同方式工作。為充分了解此類器件的工作原理，我們需要能夠改變所施加電壓的符號。ADALM1000中的每個SMU通道只能產生0 V至5 V的電壓（相對於地）。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，由於ADALM1000有兩個SMU，所以DUT可以連接兩個SMU輸出之間。一個通道從0 V掃描到5 V，另一個通道從5 V掃描到0 V，DUT兩端的電壓便是從–5 V到+5 V。

舉個例子，考慮一個二極體——這種器件僅允許電流沿一個方向通過其中。為了評估二極體是否正常工作，我們需要看看兩個方向的電流是否均能通過其中。檢查方法有兩種。我們可以在一個方向測量二極體，再手動轉向，測量另一個方向，然後將數據組合在一起。然而，如果我們施加正電壓和負電壓，那麼只需測量電流就行了。事實上，這種技術非常有用，常被用來表徵很多具有類二極體行為的器件，太陽能電池和發光二極體就是很好的例子。圖2顯示如何將二極體連接到ADALM1000以掃描–5 V至+5 V電壓。

圖2. 從–5 V到+5 V掃描二極體。

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，通道間的差值出現在電阻兩端，用於限制電流和二極體。時域波形如圖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間的關係。

我們可以將這些測量數據彼此對照以繪製成圖，並同時進行一些簡單的數學計算。我們想繪製的是通過二極體的電流與二極體兩端電壓的關係。為了計算二極體兩端的電壓，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）可執行該計算：

其中100為電阻的值。二極體電流與該方程式的關係曲線如圖4所示。

圖4. 二極體電流與–5 V至+5 V電壓的關係。

許多日常物品都會通過SMU進行測試，作為工廠測試和質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能面板，都已利用SMU進行測試，這是製造過程的一部分。

ADALM1000專為正在研究下一代電子設備的工程專業學生使用而設計。從碳納米管、量子阱異質結構到生物膜、生物感測器，要了解大量材料和器件如何導電，必須使用SMU。簡言之，您可以利用ADALM1000去了解任何器件在DC或低頻、–5 V至+5 V電壓範圍內的電氣特性，並測量±0.1 mA至180 mA的電流。

以太陽能電池為例。在研究實驗室，工程師們正在尋找讓太陽能電池效率更高、成本更低的方法。為了解太陽能電池的工作效能，實驗室生產了一種小型測試器件，其尺寸可能只有幾平方毫米到幾平方厘米，然後表徵其性能。這些測試電池太小，不足以產生超過照明功率（例如單個LED）的任何可用功率，但它們足以表徵基本工作範圍和效率。作為例子的這家實驗室採用ADALM1000測量小型太陽能電池。

太陽能電池的關鍵特性是其將太陽能轉化為電能的效率。為此，可以用已知強度的光照射測試電池，然後測量每單位面積產生的電功率。功率等於電壓乘以電流，所以從測量所產生的端電壓 (V) 和電流 (I) 開始。

要測量所產生的電壓，可以在照射的時候將一個電壓表連接在電池端子上。同樣，在電池端子上連接一個電流表可以測量電流。將測得的電流除以太陽能電池的面積，便得到電流密度。

但有一個問題：用電流（或電流密度）乘以電壓只能告訴我們，如果我們有一個理想器件，可以產生多少功率（或單位面積的功率）。原因是電壓表的內阻幾乎是無限大，當用它測量電壓時，不會有電流流過。這種情況下產生的是零功率（實測電壓 × 零電流 = 零）。這種測量稱為開路電壓測量。類似地，當把電流表放在端子上測量電流時，我們是在太陽能電池短路的情況下測試電池，因為電流表的內阻幾乎為零。在這種情況下，存在電流但未施加電壓。同樣不會產生任何功率（實測電流×零電壓=零）。這種測量稱為短路電流測量。

對於任何實際的太陽能電池，其輸出電壓將取決於所產生的電流大小，這就是為什麼使用SMU的原因——在測量電流變化的同時可以改變電壓。

圖5顯示了某一小型太陽能電池（來自太陽能庭院燈的3 cm × 3 cm太陽能電池）的典型IV曲線。電流進入SMU通道（被其吸收），所以電流為負值。0 V時的電流是短路電流，0電流時的電壓是開路電壓。

圖5. 太陽能電池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，而且我們可以據此計算太陽能電池產生的實際功率量。圖6所示為功率 (mW) 與電池電壓的關係曲線。功率就等於V × I。下面的Python方程計算功率（單位為mW）：

圖6. 太陽能電池功率與電壓的關係。x軸：電壓 (V)；y軸：P – mW。

圖中的峰值是產生最大功率的點（所謂最大功率點）。SMU吸收電池產生的功率，所以功率為負值。

如果使用圖2中的技術，我們也可以在施加負電壓（反向偏置）時測量太陽能電池。這給我們提供了一些有用信息。首先，它告訴我們該器件在反向偏置下不會擊穿。這表明該器件質量很好。其次，它告訴我們是否有任何額外的可用電流。通過施加負電壓，我們可以有效地從器件中吸取電荷，否則這些電荷不會出來。雖然這些吸取的電荷不能用來產生功率（我們此時實際上是將功率注入器件，而不是提取能量），但通過它我們可以了解一些光電流損失機制。因此，測量IV曲線是太陽能電池開發和優化中最重要的工具之一。同樣，獲得IV曲線對於了解各類其他器件，包括LED和OLED、晶體管、感測器等等，也非常重要。

圖7. ADI公司信號源測量單元ADALM1000。

從這篇文章開始，我們將啟動一個圍繞SMU A DL AM100的月度系列，並展示一些有趣的實驗。如果您想要了解這些實驗並對ADA LM1000感興趣，您可以向我們的經銷商索取：Digi-Key 和 Mouser.

圖5給出了太陽能電池的最大功率。哪個物理尺寸有影響？

您能從太陽能電池獲得的最大功率是多少？

如何調用函數來使輸出功率保持最高水平？（提示：參見ADP5091）

您可以在學子專區博客（https://ez.analog.com/community/studentzone）上找到問題答案。

Doug Mercer 在1977至2009年間一直在ADI公司從事全職工作，最後14年擔任ADI公司研究員。ADI公司高速轉換器產品系列的30多款標準產品都有他的貢獻，AD783就是其中一款。自2009年起，他轉而擔任ADI公司的兼職顧問研究員，最近主要是作為ADI公司與倫斯勒理工學院的聯絡人，從事本科生電氣工程教育推廣和發展方面的工作。

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