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【技术分享】如何实现多通道SMU源测量单元?
发布时间:2021-03-29 阅读量:707 来源:我爱方案网 作者:ADI

实现一款高集成度、精密、较大功率的多通道源测量单元(SMU)需要突破哪些设计难点?


1. 全象限控制环路设计


要实现全象限的Force Voltage / Measure & Clamp Current以及Force Current / Measure & Clamp Voltage的功能,如果要使用离散器件搭建整个控制环路,无疑是非常复杂的。使用ADI的方案,作为主控的AD5522不仅集成了Force Voltage和Force Current的环路控制以及钳位功能,同时内部也集成多个range的shunt电阻可以实现多档位的电流测量,兼具CCOMP以及CFF补偿引脚配合外部多路选择器实现多种补偿及前馈网络的选择,可以适应各种复杂的外部DUT负载参数配置。


2. 高集成度且低噪声


如果要在提高通道密度的同时需要降低输出噪声,全部使用线性级的方案因为通道密度过低无法用于ATE场合,然而全部使用开关级的方案因为过高的噪声也不适合。本方案使用开关级+线性级调制的方案,综合了开关级高密度以及线性级低噪声的优点。开关级使用ADI公司第二代Silent Switch集成开关转换器LT8646S以及LT8648S,可以实现远低于普通DC/DC的输出噪声。


3. 输出级动态功耗调整


通常SMU输出级器件的功耗限制了SMU的输出功率范围。本方案特有的输出级供电动态跟踪模式,极大的减小了输出级的功耗。使得I、III象限的输入及输出能力达到了供电电源能够提供的最大值。输出级也可以工作在固定电源电压的模式,以提供最快的脉冲电压/电流输出能力。


4.电流多Range控制及测量


本方案提供多个Range的Shunt电阻以及切换电路,可以实现大电流到小电流多个量程的全覆盖输出和测量要求。电流检测电路工作在电源高边,并且使用ADI特有的集成精密匹配电阻的高压差分放大器LT1997-3实现高CMRR采样。高边电流采样也为多通道并联提供了极大的方便。


为了克服这些难点,ADI推出了一款采用四象限参数测量单元AD5522的系统解决方案,灵活且全面~

 

ADI解决方案一览

 

如何实现多通道SMU源测量单元?这里有一款实用解决方案~

 

高压大电流SMU设计参考

本设计方案使用AD5522作为系统主控。AD5522除了完成FV以及FI的环路控制以外还具有电流及电压的钳位功能,从而保证DUT的安全。使用多个高边Shunt电阻实现了多个电流RANGE的检流组合。ADC部分我们推荐使用ADI公司新一代16/18位1 Mbps采样率的8通道同步采样ADC AD7606C-16或AD7606C-18。供电部分使用了ADI第二代Silent Switch集成开关转换器LT8646S,最大支持65 V电压输入以及8A电流输出。

 

如何实现多通道SMU源测量单元?这里有一款实用解决方案~

 

高压小电流SMU设计参考方案

本设计方案基本沿用方案1的电路结构,最大的区别在于使用了多片LT6090-5替代了方案1的电压和电流放大级。两片LT6090-5 以并联方式工作,在提供了±50 V相同电压输出范围的同时,实现了总共±100 mA的电流输入输出范围。在应用此方案时需要对这两片LT6090-5的输出做均流处理,以防止任意一路输出不均衡。

 

如何实现多通道SMU源测量单元?这里有一款实用解决方案~

 

低压小电流SMU设计参考方案

本设计方案也基本沿用方案1的电路结构,区别在于使用了LT1210 替代了方案1的电压和电流放大级。LT1210具有35 MHz的小信号带宽和900 V/uV的摆率,它可以输出连续1.1 A、峰值2A的输出电流。对于小于2 mA的小电流档位,本方案使用了AD5522自带的小量程FOH作为输出。AD5522内部集成了±5 uA、±20 uA、±200 uA 以及±2 mA的多个电流量程档位,可以实现精确的小电流测量。当要大电流输出时,可以切换到EXTFOH驱动LT1210输出。

 


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