NI SourceAdapt技术的可配置性及对各种负载提供响应的必要性

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。