CN208224357U - 源测量嵌入式smu仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及检测仪器技术领域，具体为一种源测量嵌入式SMU仪器，包括电路板，电路板上设有采样电路、误差放大器电路、功率输出电路、DAC基准输出电路、IO拓展芯片、存储器、ADC模数转换电路以及输入输出端子，电路板上还设有依次连接的传输总线、总线隔离器件以及连接器，传输总线包括I2C总线和SPI总线，I2C总线与存储器以及IO扩展芯片连接，SPI总线与DAC基准输出电路、ADC模数转换电路连接，存储器用于用于存放系统功能的校准参数。本实用新型的源测量嵌入式SMU仪器集成直流电压源、直流电流源、电压表和电流表的功能，具备小体积、灵活易用等功能特点，能为小体积自动化测试设备提供最优解决方案。

Description

源测量嵌入式SMU仪器

技术领域

本实用新型涉及检测仪器技术领域，具体为一种源测量嵌入式SMU仪器。

背景技术

源-测量单元(SMU)是一种集成电压源、电流源、电压表和电流表的仪器。其能够在提供电压源时测量电流，同样也可以在提供电流源时测量电压。所以SMU的强大之处不仅在于它具备可编程的、高精度的源和测量精度，更在于可同时将信号源的功能和测量的功能紧密融合为一体，向待测设备(DUT)提供驱动电压的同时测量其中流过的电流，或是向DUT提供驱动电流的同时测量DUT两端的电压。由于SMU的一体性，不需要像使用多种测试仪器那样涉及繁多的同步、互连和编程问题，这样就可以将研发、配置和维护测试系统所需的时间减至最少。

SMU是用于I-V特性分析测试的核心仪器，特别对于半导体如二极管、三极管特性的测试。可通过将直流电源和扫描操作结合起来，在不改变任何待测器件互连的情况下，实现对正向电压(VF)、相反漏电流(IR)和反相击穿电压(VB)等的测量。

正因为SMU的具有如此强度大的功能，在自动化测试领域中是非常重要的。国外具有代表性的是Keysight和Keithley的整机SMU。但这些SMU使用的是整机配置，体积大，成本高，不利于嵌入式自动化测试仪器的应用。

实用新型内容

本实用新型意在提供源测量嵌入式SMU仪器，能够有效的减小SMU的体积和成本。

为了解决上述技术问题，本专利提供如下技术方案：

源测量嵌入式SMU仪器，包括DAC基准输出电路、ADC模数转换电路、采样电路、误差放大器电路、功率输出电路以及输入输出端子，所述DAC基准输出电路以及采样电路均与误差放大器电路电连接，所述DAC基准输出电路用于为误差放大器电路提供恒压和恒流控制的基准控制参考信号，所述采样电路还与输入输出端子电连接，所述采样电路还与ADC模数转换电路电连接，所述采样电路用于采集输入输出端子的电压或电流数据作为误差放大器电路的反馈信号或ADC模数转换电路的输入信号，所述误差放大器电路与功率输出电路电连接，所述误差放大器电路用于将采样电路以及DAC基准输出电路的信号进行误差比较并根据比较结果控制功率输出电路的输出，ADC模数转换电路用于将采样电路的采样结果进行模拟信号到数字信号的转换，实现对电压和电流的测量。

本实用新型技术方案中，通过输入输出端子将输入和输出端进行复用，采样电路既用于恒流或恒压输出时进行采样反馈，使误差放大器电路进行闭环控制；采样电路还用于在进行该SMU仪器进行外部测量时，进行外部电压和电流的采样，为ADC模数转换电路提供模拟信号，实现了电压采样、电流采样、功率输出的复用，通过复用相同功能的电路，来减少比较昂贵器件的数量，有利于降低成本，并且通过复用可以进一步减少电子零器件，有利于进一步缩减电路板的体积，相比于传统的整机式的SMU，本方案提供的这种板卡式的SMU具有体积小、配置灵活，成本低等优点。

进一步，还包括传输总线以及与传输总线电连接的连接器，所述传输总线与DAC基准输出电路和ADC模数转换电路信号连接，所述连接器用于与外部主控板进行连接，外部主控板能够通过传输总线调整DAC基准输出电路和ADC模数转换电路的控制参数。

通过传输总线将控制端引出，使用外部主控板进行控制，无需单独设置控制器，可以进一步减小电路板的体积，降低成本，同时方便嵌入集成到工厂的测试仪器中，配置灵活。

进一步，所述传输总线上设有总线隔离器件。实现总线的电气隔离。

进一步，所述采样电路通过继电器实现信号传输方向的切换。采用继电器即可实现基础电路信号流向的切换，进而实现电路的功能复用，相对于其他价格昂贵的电子元件，继电器的价格要便宜得多，有利于降低成本。

进一步，所述传输总线还连接有存储器，所述存储器用于存储系统功能的校准参数。通过存储器存储ADC模数转化电路和DAC基准输出电路的电阻误差、运放偏置等其他器件综合结果的误差校准参数，使参数掉电不丢失，无需重新设置

进一步，所述传输总线包括I2C总线和SPI总线，I2C总线用于与存储器进行数据通信，所述SPI总线用于与DAC基准输出电路和ADC模数转换电路进行控制。

I2C串行总线简单易用，可以作为对速度要求不高的存储器使用，而SPI串行控制总线由于具备全双工、高速，信号线少等的特点，可以用于对DAC基准输出电路和ADC模数转换电路进行控制。

进一步，所述DAC基准输出电路、ADC模数转换电路、采样电路、误差放大器电路、功率输出电路以及输入输出端子均设置在电路板上，所述电路板上运算放大器的管脚处设有保护环。

在运算放大器同相端和反向端管脚与周边存在漏电流，PCB板材绝缘电阻虽然很大，但假如输入管脚和周边的电势差为1V，板材绝缘电阻为10M欧姆，这样流入到运放的漏电流就有100nA,这么大的漏电流经运放输入电阻产生偏置电压，再经环路增益后，最终对实际的待调理信号将产生很大的误差，为了屏蔽该漏电流的影响，采用了Guard Ring技术，将运放输入管脚用一个具备同电势且低阻抗路径的环包围起来，形成保护环，起到漏电流从该环导走，而非进入到运放输入端，进而降低漏电流，减小误差。

进一步，所述输入输出端子采用SMA母头连接器，输入输出端子也设有保护环。对外连接的输入输出端子采用SMA母头连接器，并同样使用Guard Ring技术，将输出信号通过跟随器隔断后加到同轴线缆的屏蔽层，为噪声提供一个低阻抗的回流路径，从而可以大大降低外部复杂环境对SMU板卡的影响，提高其EMC、EMI性能。

进一步，所述电路板采用多层堆叠结构。进一步减小卡片体积。

附图说明

图1为本实用新型源测量嵌入式SMU仪器实施例的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如图1所示，本实施例的源测量嵌入式SMU仪器包括电路板，电路板上设有采样电路、误差放大器电路、功率输出电路、DAC基准输出电路、IO拓展芯片、存储器、ADC模数转换电路以及输入输出端子，电路板上还设有依次连接的传输总线、总线隔离器件以及连接器，传输总线包括I2C总线和SPI总线，I2C总线与存储器以及IO拓展芯片电连接，SPI总线与DAC基准输出电路以及ADC模数转换电路电连接。存储器用于存储ADC模数转换电路以及DAC 基准输出电路的校准参数。

连接器用于与外部主控板进行连接，外部主控板可以通过I2C总线从存储器中读取校准参数供其使用，外部主控板还可以通过SPI总线调整DAC基准输出电路和ADC模数转换电路的控制参数，DAC基准输出电路以及采样电路均与误差放大器电路电连接，DAC基准输出电路用于为误差放大器电路提供恒压和恒流控制的基准控制参考信号，采样电路还与输入输出端子电连接，采样电路还与ADC模数转换电路电连接，采样电路用于采集输入输出端子的电压或电流数据作为误差放大器电路的反馈信号或ADC模数转换电路的输入信号，误差放大器电路与功率输出电路电连接，误差放大器电路用于将采样电路以及DAC基准输出电路的信号进行误差比较并根据比较结果控制功率输出电路的输出，ADC模数转换电路用于将采样电路的采样结果进行模拟信号到数字信号的转换，实现对电压和电流的测量。

本实施例中，DAC基准输出电路产生直流电压和电流的基准控制参考信号，进入误差放大器电路来与采样电路采集的电压或电流进行比较，进而来控制功率输出电路，同时采样电路也可以作为外部的电压或电流测量来进行使用，采样电路采集的信号送到ADC模数转换电路进行模数转换。由以上设计出来的板卡，就是一块专用化很强的功率输出及测量核心板卡，可以高度压缩板卡尺寸；另外PCB布板也采用六层堆叠结构，减少平面面积，终将整板体积控制在长110mm，宽65mm，高11mm内；最后整板的器件基本使用贴片焊接工艺，主板互连的数字控制总线采用FCI连接器。

恒流控制环的三挡采样电阻及电流经采样电阻转化为电压的采样电路同样可以作为外部电流测量的转换采样电路，只需采用继电器切换功能即可，相对于价格昂贵的高精度、低温漂采样电阻和高精密仪表放大器来说，继电器的价格要便宜得多。同时通过对外只提供带隔离的I2C和SPI串行总线，使整个SMU板卡使用主控板来进行控制，进一步减小体积和成本。采用芯片级常用的控制总线I2C和SPI串行总线，来实现主控板对SMU板的控制。主控板的I2C和SPI总线经由FCI高速连接器转接到SMU板上的总线隔离器件，进行电气隔离，隔离后端连接18bit DAC基准输出电路、24bit ADC模数转换器及CAT9555IO扩展芯片。I2C 串行总线简单易用，可以作为对速度要求不高的IO扩展芯片及EEPROM存储器进行数据传输和控制，而SPI串行控制总线更是由于具备全双工、高速，信号线少等特点用于对DAC基准输出电路以及ADC模数转换电路的控制。

电路板上在功能较为重要的运算放大器的管脚处设有保护环。输入输出端子采用SMA母头连接器，输入输出端子也设有保护环。在运算放大器同相端和反向端管脚与周边存在漏电流，PCB板材绝缘电阻虽然很大，但假如输入管脚和周边的电势差为1V，板材绝缘电阻为10M 欧姆，这样流入到运放的漏电流就有100nA,这么大的漏电流经运放输入电阻产生偏置电压，再经环路增益后，最终对实际的待调理信号将产生很大的误差，为了屏蔽该漏电流的影响，采用了Guard Ring技术，将运放输入管脚用一个具备同电势且低阻抗路径的环包围起来，形成保护环，起到漏电流从该环导走，而非进入到运放输入端，进而降低漏电流，减小误差，对外连接的输入输出端子采用SMA母头连接器，并同样使用Guard Ring技术，将输出信号通过跟随器隔断后加到同轴线缆的屏蔽层，为噪声提供一个低阻抗的回流路径，从而可以大大降低外部复杂环境对SMU板卡的影响，提高其EMC、EMI性能。

以上的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：包括DAC基准输出电路、ADC模数转换电路、采样电路、误差放大器电路、功率输出电路以及输入输出端子，所述DAC基准输出电路以及采样电路均与误差放大器电路电连接，所述DAC基准输出电路用于为误差放大器电路提供恒压和恒流控制的基准控制参考信号，所述采样电路还与输入输出端子电连接，所述采样电路还与ADC模数转换电路电连接，所述采样电路用于采集输入输出端子的电压或电流数据作为误差放大器电路的反馈信号或ADC模数转换电路的输入信号，所述误差放大器电路与功率输出电路电连接，所述误差放大器电路用于将采样电路以及DAC基准输出电路的信号进行误差比较并根据比较结果控制功率输出电路的输出，ADC模数转换电路用于将采样电路的采样结果进行模拟信号到数字信号的转换，实现对电压和电流的测量。

2.根据权利要求1所述的源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：还包括传输总线以及与传输总线电连接的连接器，所述传输总线与DAC基准输出电路和ADC模数转换电路信号连接，所述连接器用于与外部主控板进行连接，外部主控板能够通过传输总线调整DAC基准输出电路和ADC模数转换电路的控制参数。

3.根据权利要求2所述的源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：所述传输总线上设有总线隔离器件。

4.根据权利要求3所述的源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：所述采样电路通过继电器实现信号传输方向的切换。

5.根据权利要求2所述的源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：所述传输总线还连接有存储器，所述存储器用于存储ADC模数转换电路以及DAC基准输出电路的校准参数。

6.根据权利要求5所述的源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：所述传输总线包括I2C总线和SPI总线，I2C总线用于与存储器进行数据通信，所述SPI总线用于与DAC基准输出电路和ADC模数转换电路进行控制。

7.根据权利要求6所述的源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：所述DAC基准输出电路、ADC模数转换电路、采样电路、误差放大器电路、功率输出电路以及输入输出端子均设置在电路板上，所述电路板上运算放大器的管脚处设有保护环。

8.根据权利要求7所述的源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：所述输入输出端子采用SMA母头连接器，输入输出端子也设有保护环。

9.根据权利要求8所述的源测量嵌入式SMU仪器，其特征在于：所述电路板采用多层堆叠结构。