Эффективное тестирование параметров постоянного тока и характеристик прямого и обратного токового напряжения

Настоящее руководство освещает вопросы, связанные с наиболее часто применяемыми сегодня методиками тестов х-к постоянного тока относительно напряжения (I-V тесты), описывает кажущиеся неотъемлемыми при этом осложнения, и как новые методики могут помочь не только преодолеть эти трудности, но также и повысить эффективность и продуктивность самих этих тестов.

Содержание

•    Характеристики прямого и обратного токового напряжения двухтерминальных устройств;
•    Характеристики прямого и обратного токового напряжения трёхтерминальных устройств;
    Измерения сопротивления: Конфигурирование прибора для правильного отображения результатов тестов; 
    Измерения мощностных х-к и эффективности работы устройств; 
    Анализ энергопотребления постоянного тока для устройств с низким энергопотреблением

1.    Характеристики прямого и обратного токового напряжения двухтерминальных устройств

 

Характеристики токового напряжения (I-V характеристики) двухтерминального устройства определяются как соотношение величины тока, пропускаемого через к-л механизм/прибор и величины напряжения на его (механизме/приборе) клеммных разъёмах. Тестирование I-V характеристик регулярно осуществляется при проведение научно-исследовательских работ, когда задействуется множество электронных двухтерминальных устройств, включая резисторы, диоды, светодиоды, солнечные батареи, различные датчики. Выявление характеристик I-V двухтерминальных устройств предполагает последовательное выставление уровней напряжения и тока на устройстве от одного уровня до другого с измерениями результирующих х-к этих токов и напряжений в режиме, известном как развёртка.  Собранные данные представляются в графическом виде, где ось Х – данные по напряжению, а ось Y – данные по току, тем самым формируется кривая прямого и обратного токов двухтерминальных устройств (кривая I-V). 

Для формирования такого рода развёрток обычно используются источники питания и цифровые мультиметры (DMMs), однако, этот традиционный метод может оказаться несколько запутанным как для новичков, так и для опытных пользователей.  
Конфигурирование измерительного инструментария для выполнения режима развёртки может оказаться сложным и потребовать навыков программирования, если такой режим не встроен в этот  инструментарий; 
Синхронизация работы множества приборов для сбора данных, необходимых для составления кривой I-V, требует от пользователя хороших знаний об используемом приборе и навыков программирования; 
Визуализация данных – затратное по времени мероприятие. Данные должны быть перемещены от прибора в электронную таблицу, при этом графики должны быть правильно конфигурированы для точного отображения кривой I-V.

Получение характеристик прямого и обратного токового напряжения двухтерминальных устройств может быть существенно упрощено посредством источника-измерителя (SMU), как например, Keithley’s 2450 или 2460 SourceMeter® SMU, которые комбинируют функции источника питания высокого разрешения и прецизионного DMM в одном конструктиве. Как альтернатива Keithley можно применять прецизионный мультиметр SDM3065X SIGLENT с точностью 0.0015% - всё зависит от финансовых возможностей пользователя и глубины стоящих перед ним задач.
Цикличность процесса источник-измерение-задержка требует высокоточной  синхронизации источника питания перед началом процесса измерений, чтобы в результате можно было выстраивать точную развёртку без задействования внешней синхронизации.   
Встроенные функции генерирования развёртки задействуют режимы тестов источник напряжения/ток измерений или источник тока/напряжение измерений, которые могут быстро конфигурироваться для ускоренного получения результатов.  
Собранные данные можно сразу же анализировать через пользовательские интерфейсы Touch, Test, Invent®.

2.    Характеристики прямого и обратного токового напряжения трёхтерминальных устройств

Получение I-V параметров трёхтерминальных устройств как то MOSFETs является крайне важным для обеспечения надлежащего функционирования этого устройства в заданных режимах и его соответствия заявленным спецификациям. Некоторые тесты I-V включают в себя тестирование тока утечки затвора, напряжение пробоя, пороговое напряжение, характеристики передачи, тока утечки и сопротивление. Несмотря на то, что все эти процедуры имеют много общего с процедурами получения I-V характеристик двухтерминальных устройств, в случае с трёхтерминальными электронными компонентами, взаимосвязь ток-напряжение на одной паре терминалов зависит от параметров тока или напряжения на третьем терминале. Данные по каждой развёртке накладываются на сложную графическую схему ток-напряжение, когда имеют место множество кривых, где каждая кривая базируется на характеристиках ток-напряжение терминальной пары при различных значениях тока или напряжения на третьем терминале.
Получение характеристик трёхтерминальных устройств требует наличия нескольких измерительных приборов, включая высокочувствительных омметр, различные источники питания и вольтметр.

Интегрирование, программирование и синхронизация между собой множества различных измерительных приборов может оказаться достаточно муторным занятием, вдобавок требующим на это много времени.
Синхронизация инструментария и устройств между собой, выставление надлежащих диапазонов, коррекция смещений и т.д. предполагают как итог качественную синхронную работу этих инструментов и устройств, что не случается не всегда. 
Требуется наличие письменных программ или конфигурация предварительно написанных в установленном диапазоне прикладных программных пакетов для источников напряжения или тока – только после этого осуществляются измерения взаимозависимостей тока и напряжения. 
Приборы SMU (источники-измерители) упрощают тестирование трёхтерминальных устройств через комбинацию функций источника и измерителя в одном конструктиве, но для полноценных тестов требуется как минимум два прибора  SMU.

3.    Измерения сопротивления: Конфигурирование прибора для правильного отображения результатов тестов

Сопротивление это мера противостояния материала потоку тока, а сама эта характеристика измеряется в Омах. Измерения сопротивления обычно осуществляются через генерирование установленной величины тока через устройство, после чего проводятся замеры напряжения на терминалах этого устройства, а затем  законом Ома рассчитывается сопротивление. Этот метод в основном применяется цифровыми мультиметрами (DMMs), а также источниками-измерителями (SMU). 
Осуществлять измерения сопротивления посредством приборов SMU относительно просто, но при этом могут возникать связанные с описанным выше методом проблемы тогда, когда необходимо внести изменения в общепринятую методику измерения сопротивления.

Величина тока, передаваемая на тестируемое устройство, должна быть видоизменена для определения реакции этой величины на различных уровнях, как то: когда  для получения высокоточных результатов необходимо подать большой ток через устройство с очень низкой величиной сопротивления или когда устройство обладает очень высоким сопротивлением и требуется метод тестирования характеристик прямого и обратного токового напряжения.
Визуализация данных необходима для построения графика сопротивления во времени для определения того, как устройство подвержено влиянию окружающей среды, само нагреву и пр. воздействиям.

Источники-измерители Keithley модели 2450 и 2460 SourceMeter® обладают пользовательским графическим интерфейсом на технологии Touch, Test, Invent®, что позволяет легко конфигурировать эти приборы для измерения различных уровней тока.  Как альтернатива оборудованию от Keithley, представляется возможным применение приборов от Siglent Technologies, например, особенностями прецизионного мультиметра SDM3065X  являются:

Быстрые и точные измерения напряжения (DC/AC), тока (DC/AC), сопротивления, частоты, периода,  ёмкости, температуры.
Яркий цветной дисплей 4,3" (480x272) с подсветкой, графический, разрядность 6½ (2 200 000 отсчётов)
Функция измерения действующих среднеквадратичных значений напряжения и тока (True-RMS)
Статистический анализ, относительные измерения, функции HOLD, MIN, MAX с привязкой ко времени, построение трендов
Возможность сохранения результатов измерения под именем собственным.
Объем памяти 1 Гб для хранения результатов измерений
Высокая скорость измерения.
Высокая точность измерений: 0,0015%
Встроенная компенсация для термопар
Встроенный частотомер с полосой от 2 Гц до 1 МГц
Функция "обнуления" и калибровки
Возможность программной калибровки прибора
Интерфейсы: USB Device, USB Host, LAN, GPIB (опционально).

Для решения описанных выше задач SDM3065X может использоваться совместно с 3-х канальным программируемым источником питания Siglent SPD3303C, особенностями которого являются:

Независимый контроль и управление по трем каналам.
4-x разрядный дисплей по напряжению, разрешение: 10 мВ 
3-х разрядный дисплей по току,  разрешение: 10 мА
Три режима работы: независимые каналы, параллельное и последовательное включение
• Отображение формы сигнала! (впервые в бюджетных моделях)
Удаленное управление SCPI-команды
Дисплей: LED символьный
Контроль за системой охлаждения для уменьшения шума
Защита от перегрузки, перегрева.
Сохранение/вызов до 5-ти групп предварительных установок.

В то же время источники-измерители от Keithley можно легко конфигурировать для применения метода источник напряжения/измерение напряжения или метод источник тока/измерение напряжения. Изменяющие параметры тестирования трудно генерировать на обычных измерительных приборах, в то время как цветной графический пользовательский интерфейс моделей Keithley 2450 и 2460 напрямую отображают на экране график изменений, в то время как процесс сбора данных продолжает идти непрерывно.

4.    Измерения мощностных х-к и эффективности работы устройств

Полупроводниковые устройства, интегрированные схемы и энергетические системы требуют регулярного тестирования для оценки ряда параметров, таких как максимальная мощность, уровни разрядки элементов питания,  энергоэффективность относительно тока, а также остаточный ток устройства. Мощность – расчётная величина при измерениях, когда требуется знать параметры напряжения и тока на устройстве. Измеренные параметры напряжения затем умножаются на параметры тока для расчёта мощности. Эффективность (КПД) - это отношение мощности, потребляемое устройством, к мощности, поступающей на устройство. В то время, как измерения мощности – довольно простая процедура, если делать это посредством источника-измерителя (SMU), то измерения КПД немного сложнее.  
Необходимо множество приборов для измерений мощности как на входе, так и на выходе устройства; 
Обычные (стандартные) приборы не производят расчётов и не отображают параметров мощности; 
Автоматизация тестов с применением ПК требует знаний набора команд и их подачи на приборы, а также требуются навыки в программировании. 

Источники-измерители Keithley модели 2450 и 2460 SourceMeter® при наличии графического пользовательского интерфейса Touch, Test, Invent® значительно упрощают процесс измерения энергоэффективности, если использовать для этого технологию тестового скрипт-процессора Keithley’s (TSP®) и виртуальную объединительную плату TSP-Link®. При задействовании технологии TSP и коммуникационной шины TSP Link, измерения энергоэффективности, где требуется наличие двух приборов, могут быть осуществлены быстро и просто через фронтальную панель одного прибора, когда на эту панель будут выведены автоматически рассчитанные параметры энергоэффективности. 

5.    Анализ энергопотребления постоянного тока для устройств с низким энергопотреблением

Характеристика профиля энергопотребления является крайне важной для устройств с низким энергопотреблением, как то компоненты сетей Интернет, портативные, переносные, беспроводные, имплантируемые медицинские устройства и специфические промышленные изделия с низким энергопотреблением. Использование энергии напрямую коррелирует с разрядом батарей и влияет на полезность применяемого продукта. Анализ энергопотребления постоянного тока (DC) является нетривиальной задачей, поскольку через эти устройства часто проходит ток в широких диапазонах от нано-ампер до ампер, в зависимости от операционных режимов. Эти устройства часто обладают очень коротким «временем пробуждения», которое может длиться всего в несколько микросекунд, при  этом требуются длительные периоды регистрации данных для формирования полного профиля энергопотребления.   
Существует несколько сложностей ассоциированных с процедурой энергопотребления DC для устройств с низким энергопотреблением, которые включают в себя: 
Достижение высокой точности при измерениях тока нагрузки в широких диапазонах - типичный профиль энергопотребления постоянного тока для устройств с низким энергопотреблением имеет широкий диапазон тока нагрузки от нано-ампер до ампер. Большинство приборов не обладают достаточной точностью/чувствительностью на всех диапазонах. 
Захват узких полос токовых нагрузок при переходе устройства на свои активные режимы -  большинство отдельных импульсов происходят в виде выбросов активностей с длительностью не превышающей микросекунды. Существующие приборы не имеют достаточную частоту выборки, необходимую для захвата такого рода выбросов токовых нагрузок. 
Обширная регистрация данных – такого рода тесты обычно продолжаются в течение длительных периодов, что предъявляет к приборам специфические требования относительно наличия у них достаточных объёмов памяти, достаточных для режимов длительного мониторинга. 
Вносимые тестовым инструментарием ошибки – существующие решения вносят ошибки в систему в качестве напряжения нагрузки. Поскольку общее энергопотребление в данном приложение низкое, то высокое напряжение нагрузки, вносимое в систему, генерирует и большую ошибку. 
Чистая стабильная мощность -  существующие решения могут вносить ошибки с выходными значениями, содержащими множество шумов.