信號源測量單元概念分析 為什么需要負電壓？

信號源測量單元 (SMU) 是一種將信號源功能和測量功能結(jié)合在同一引腳或連接器上的儀器。它可以提供電壓或電流，并同時測量電壓和/或電流。它將電源或函數(shù)發(fā)生器、數(shù)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(zhì)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(shù)發(fā)生器。但當(dāng)分而視之時，由于輸出功能（發(fā)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。

可編程信號源測量單元為什么很重要？

對于某些類型的測試，可編程儀器可能并不重要。您可能只想讀取一次或少量次數(shù)。但有很多情況下，可能需要收集大量數(shù)據(jù)，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于出錯。

還有大量不同的實驗要求自動收集數(shù)據(jù)以獲得更快速或更準確的測量結(jié)果，或者獲取長時間尺度（數(shù)月甚至幾年）的測量結(jié)果。此時，您肯定需要一臺計算機來收集數(shù)據(jù)并將其導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫中進行分析。

為什么需要負電壓？

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(chǎn)生0 V至5 V的電壓（相對于地）。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，由于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，考慮一個二極管——這種器件僅允許電流沿一個方向通過其中。為了評估二極管是否正常工作，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管，再手動轉(zhuǎn)向，測量另一個方向，然后將數(shù)據(jù)組合在一起。然而，如果我們施加正電壓和負電壓，那么只需測量電流就行了。事實上，這種技術(shù)非常有用，常被用來表征很多具有類二極管行為的器件，太陽能電池和發(fā)光二極管就是很好的例子。圖2顯示如何將二極管連接到ADALM1000以掃描–5 V至+5 V電壓。

圖2. 從–5 V到+5 V掃描二極管。

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(xiàn)在電阻兩端，用于限制電流和二極管。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(guān)系。

我們可以將這些測量數(shù)據(jù)彼此對照以繪制成圖，并同時進行一些簡單的數(shù)學(xué)計算。我們想繪制的是通過二極管的電流與二極管兩端電壓的關(guān)系。為了計算二極管兩端的電壓，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(zhí)行該計算：

其中100為電阻的值。二極管電流與該方程式的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4. 二極管電流與–5 V至+5 V電壓的關(guān)系。

信號源測量單元有何用途？

許多日常物品都會通過SMU進行測試，作為工廠測試和質(zhì)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，這是制造過程的一部分。

ADALM1000專為正在研究下一代電子設(shè)備的工程專業(yè)學(xué)生使用而設(shè)計。從碳納米管、量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)到生物膜、生物傳感器，要了解大量材料和器件如何導(dǎo)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電壓范圍內(nèi)的電氣特性，并測量±0.1 mA至180 mA的電流。

能否舉一個需要信號源測量單元的具體測量例子？

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(chǎn)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，然后表征其性能。這些測試電池太小，不足以產(chǎn)生超過照明功率（例如單個LED）的任何可用功率，但它們足以表征基本工作范圍和效率。作為例子的這家實驗室采用ADALM1000測量小型太陽能電池。

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

要測量所產(chǎn)生的電壓，可以在照射的時候?qū)⒁粋€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(chǎn)生多少功率（或單位面積的功率）。原因是電壓表的內(nèi)阻幾乎是無限大，當(dāng)用它測量電壓時，不會有電流流過。這種情況下產(chǎn)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(dāng)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(nèi)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(chǎn)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。

對于任何實際的太陽能電池，其輸出電壓將取決于所產(chǎn)生的電流大小，這就是為什么使用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(jù)此計算太陽能電池產(chǎn)生的實際功率量。圖6所示為功率 (mW) 與電池電壓的關(guān)系曲線。功率就等于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(guān)系。x軸：電壓 (V)；y軸：P – mW。

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

如果使用圖2中的技術(shù)，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(zhì)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(chǎn)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(fā)和優(yōu)化中最重要的工具之一。同樣，獲得IV曲線對于了解各類其他器件，包括LED和OLED、晶體管、傳感器等等，也非常重要。

圖7. ADI公司信號源測量單元ADALM1000。