Strom und Spannung messen und überwachen Präzise Netzteile mit Nanoampere-Auflösung

Während für viele Anwendungen ein programmierbares Netzteil völlig ausreicht, erfordern andere Applikationen präzisere Geräte. Hier kommen Source Measure Units zum Einsatz. Ein SMU-Netzteil garantiert nicht nur eine Spannungsversorgung und -messung mit Nanoampere-Auflösung, sondern bietet Spannungsüberwachung und 4-Quadranten-Betrieb.

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Viele Applikationen benötigen eine Präzision von einigen Mikroampere. Beispielsweise für universelle Elektrogeräte, bei denen jedes verbrauchte Mikroampere die Akkulaufzeit verkürzt. Bei der Validierung und Charakterisierung von Halbleitern sind zusätzliche Funktionen notwendig und beim Messen des Stroms ist eine Auflösung von einigen Nanoampere notwendig. Darüber hinaus kann ein herkömmliches programmierbares Netzteil unzureichend sein, wenn höhere Geschwindigkeit, dezentrale Spannungsüberwachung oder ein 4-Quadranten-Betrieb gebraucht werden.

SMU-Netzteile überwachen und messen Strom und Spannung

Ein SMU-(Source Measure Unit-)Netzteil garantiert eine Spannungsversorgung und -messung mit einer Auflösung von 1 mV oder weniger sowie Stromversorgung und -messung mit einer Auflösung von 1 µA oder weniger. Außerdem bieten SMUs Spannungsüberwachung und den 4-Quadranten-Betrieb, der sowohl bipolare Spannungen als auch die Stromsenken-Option integriert. Schließlich kann der Techniker mit SMUs Strom- und Spannungs-Sweeps zur IV-Charakteristika eines Geräts durchführen. SMUs sind in der Industrie weit verbreitet und kommen in vielen automatisierten Prüfsystemen zum Einsatz. Im Folgenden stellen wir spezifische Funktionen und Anwendungen vor.

• Genauigkeit

Eine SMU unterscheidet sich von einem Standardnetzteil durch ihre Genauigkeit. Diese wird als Wiederholgenauigkeit und Wiederholbarkeit definiert. Im Zusammenhang mit der Genauigkeit von Messgeräten müssen zwei weitere Schlüsseleigenschaften in Betracht gezogen werden: Empfindlichkeit und Präzision.

1. Empfindlichkeit

Empfindlichkeit wird als die kleinste erkennbare Veränderung definiert, die von einem Gerät gemessen oder geliefert werden kann. Anders ausgedrückt: Die Empfindlichkeit die kleinste Steigerung, die am Ausgang eines Geräts eingestellt oder am Eingang erkannt werden kann. SMUs erreichen eine höhere Empfindlichkeit als Standardnetzteile, in denen Spannung und Strom eingestellt und gelesen werden können. Die SMU NI PXI-4130 bietet beispielsweise fünf Strombereiche von 2 A bis 200 µA.

2. Präzision

Präzision ist die maximale Unsicherheit einer Quelle oder Messung. Absolute Präzision bezieht sich auf einen echten Messwert, der von einem Standard repräsentiert wird. Die Geräte verfügen über eine Präzision sowohl für Versorgung als auch Messung von <0,1 Prozent des Ausgangspegels, auf den sie eingestellt werden. Mit 200 µA des SMU PXI-4130 kann beispielsweise eine Genauigkeit von 0,03% garantiert werden.

• Dezentrale Spannungsmessung

Bei der präzisen Spannungsversorgung oder -messung wirkt sich der Drahtwiderstand auf die Spannung aus, den ein Prüfling aufnimmt. Der Drahtwiderstand ist zwar immer vorhanden, ist aber am stärksten, wenn dünnere Drähte über größere Distanzen beim Design berücksichtigt werden. Obwohl nur wenige Ohm, können diese Widerstände großen Einfluss auf die Spannung für einen Prüfling haben. Vor allem dann, wenn der interne Widerstand des Prüflings gering ist.

Bild 1 zeigt das Diagramm eines allgemeinen Schaltkreises, der aus einem Netzteil, Verbindungskabeln und einem Prüfling besteht. In diesem Fall beträgt der angenommene Drahtwiderstand der Verbindungskabel 1 Ω.

Wird der Ausgang des Netzteils beispielsweise auf 5 V eingestellt und der Prüfling über einen Widerstand von 1 kΩ, lässt sich die tatsächliche Spannung an den Anschlüssen des Prüflings mit folgender Gleichung berechnen:

VPrüfling =

In diesem Fall beträgt die resultierende Spannung lediglich 4,99 V. Bei manchen Geräten spielt die geringe Abweichung keine Rolle. Bei Anwendungen, die eine präzise Charakterisierung basierend auf der Betriebsspannung erfordern, kann dieser Fehler allerdings bedeutende Konsequenzen haben. Deutlich gravierender ist dieser Effekt bei Geräten mit einem niedrigeren Eingangswiderstand. Tabelle 1 zeigt, basierend auf niedrigeren Werten des Eingangswiderstands, die an einem Prüfling gemessenen Werte.

Die 4-Draht-Messung vermeidet Fehler durch den Drahtwiderstand. Diese Technik führt zu einem Spannungsabfall über den Drahtwiderstand, indem die Spannung direkt am Prüfling gemessen und entsprechend ausgeglichen wird. Sowohl Netzteile als auch DMMs verfügen am Ausgang über zwei zusätzliche Anschlüsse, welche diese dezentrale 4-Draht-Messung ermöglichen und direkt mit dem Prüfling verbunden sind. Auch diese Anschlüsse haben einen Drahtwiderstand. Da aber kein Strom durch diese Leitungen fließt, kommt es nicht zum Spannungsabfall.

SMUs ermöglichen in der Regel 4-Draht-Messungen, so dass ihre zusätzliche Empfindlichkeit bezüglich Spannung optimal genutzt wird. Die SMU PXI-4130 ermöglicht 4-Draht-Messungen, die über Software einfach aktiviert und deaktiviert werden können.

• Vier-Quadranten-Betrieb (Quelle und Senke)

Eine weitere Eigenschaft von SMUs ist die Flexibilität ihrer Ausgänge. Sie haben Vier-Quadranten-Ausgänge, die positive Spannung und positiven Strom (1. Quadrant), negative Spannung und positiven Strom (2. Quadrant), negative Spannung und negativen Strom (3. Quadrant) oder positive Spannung und negativen Strom (4. Quadrant), bereitstellen können. Auf dem Datenblatt einer SMU ist ein ähnliches Schaubild wie in Bild 2 zu finden, das jeweils die maximale Spannung und den maximalen Strom darstellt, die in jedem der vier Quadranten angewendet werden können. Die Quadranten, in denen die SMU als Stromsenke fungiert, zeigen eine durchgehende Kurve, welche die anhaltende Verlustleistung darstellt und eine gepunktete Linie, welche für die Möglichkeit steht, Strom im Pulsmodus zu ziehen. Diese Unterscheidung ist wichtig, denn die kontinuierliche Verlustleistung des SMU kann erheblich geringer sein als die gepulste Verlustleistung desselben Geräts.

Der Vier-Quadranten-Betrieb ist wichtig für Anwendungen, die sowohl Quelle als auch Senke benötigen, wie etwa der Test von Ladezyklen von Akkus oder von Kurzschlussströmen an Ausgängen von Pins auf einem digitalen Halbleitergerät. PXI-4130 kann im 1. und 3. Quadranten bis zu 40 W zur Verfügung stellen und im 2. und 4. Quadranten bis zu 10 W ziehen.

• Bipolar

Damit ein Netzteil oder eine SMU für den 4-Quadrant-Betrieb klassifiziert wird, muss es sowohl positive als auch negative Spannungen von denselben Anschlüssen zur Verfügung stellen können. Dies ist wichtig, um die Durchschlagsspannung in aktiven Geräten zu charakterisieren, welche Durchlass- und Sperreigenschaften aufweisen, die wichtig für ihren Betrieb sind. Solche Durchlass- und Sperreigenschaften lassen sich mit einen Ausgangskanal, der Sweep-Spannungen von negativen bis zu positiven Werten unterbringen kann, charakterisieren. Die SMU PXI-4130 stellt auf ihrem bipolaren SMU-Kanal bis zu 20 und —20 V zur Verfügung.

• Senke

Ein Netzteil muss auch in der Lage sein, als Stromquelle oder -senke zu fungieren, wenn es für den 4-Quadranten-Betrieb klassifiziert werden soll. Eine Stromquelle gibt Strom, das heißt, sie liefert den Stimulus für einen Schaltkreis. Eine Stromsenke zieht Strom, d. h. sie nimmt Energie auf, die von einer externen aktiven Komponente wie etwa einer Batterie, einem geladenen Kondensator oder einer anderen Stromquelle abgegeben wird. Ein 4-Quadranten-Netzteil kann so konfiguriert werden, dass es einen Kondensator oder eine Batterie entlädt, indem es als Stromsenke eingestellt wird. PXI-4130 kann beispielsweise bis zu 10 W Strom ziehen.

• Sweeps

Mit SMUs lassen sich elektrische Bauteile, Halbleiter und anwenderdefinierte Chipdesigns charakterisieren und klassifizieren. Dabei spielen Sweeps beim Charakterisieren von Spannung oder Strom eine wichtige Rolle. Ein klassisches Beispiel für diese Methode ist das Verfolgen von IV-Kurven für Dioden und Transistoren. In beiden Fällen geschieht ein Spannungs-Sweep über die Anschlüsse des Prüflings, wobei der resultierende Strom gemessen wird.

Es gibt verschiedene Arten von Sweeps: lineare, logarithmische sowie anwenderdefinierte, DC- oder gepulste Sweeps. Diese SMU führt Spannungs- und Strom-Sweeps mit bis zu 3000 S/s durch, während resultierende Spannung und Strom gemessen werden. Darüber hinaus bietet PXI-4130 einen zusätzlichen Kanal, der sich als programmierbares Netzteil für bis zu 6 V und 1 A einsetzen lässt. Mit diesem Kanal kann der Basisstrom für einen Bipolartransistor oder die Steuerspannung für einen MOSFET zur Verfügung gestellt werden. Abbildung 3 zeigt die SMU PXI-4130 beim Sweep von IV-Kurven auf einem Bipolartransistor mithilfe der neuen Softwareumgebung NI LabVIEW SignalExpress.

*Christian Fritz ist Team-Leiter Technisches-Marketing bei National Instruments Deutschland in München.

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