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杨悟牛

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什么是源测量单元或SMU？

源测量单元（SMU）是在同一引脚或连接器上结合了源功能和测量功能的仪器。它可以输出电压或电流，同时测量电压和/或电流。它将电源或函数发生器，数字万用表（DMM）或示波器，电流源和电子负载的功能集成到一个紧密同步的仪器中。

        
图1.一个ADALM1000 SMU通道的框图。所述ADALM1000处于其心脏一个源测量单元，但它也可以被看作是一个独立的示波器和函数发生器。但是，由于输出功能（发生器）和输入功能（示波器）在分开时共用一个引脚，因此一次只能使用一个功能。
为什么有一个可编程的源测量单位是重要的？
对于某些类型的测试，使用可编程仪器可能并不重要。您可能只想读取一次或少数次的值。但是，在许多情况下，可能需要收集大量数据，以便生成随时间推移的性能图或图表。但是，手动执行此操作非常耗时且易于出错。
还有许多不同的实验需要自动收集数据以获得更快或更准确的测量结果，或者长时间（几个月甚至几年）进行测量。在这里，您肯定需要一台计算机来收集数据并将其导出到数据库中进行分析。
为什么重要的是负电压？
不是所有的实验都需要负电压，在某些情况下，您可以避免这种情况。但是，如果施加正电压或负电压，许多不同类型的器件工作方式不同。要充分了解这些设备是如何工作的，我们需要能够改变施加电压的符号。ADALM1000中的每个SMU通道只能产生0 V至5 V的电压。提供固定的2.5 V和5 V输出，可同时提供源电流和吸电流。被测设备可以连接在2.5 V输出和SMU输出之间，而不是接地端，将被测设备的电压从-2.5 V扫描到+2.5 V.此外，由于ADALM1000有两个SMU，被测设备可以连接两个SMU输出。通过从0V扫描一个通道到5V，同时从5V扫描到0V，
作为一个例子，考虑一个二极管 - 一个设备，允许电力只能通过一个方向。为了评估一个二极管是否工作，我们需要看看它是否会在两个方向上通过电流。我们可以用两种方法之一来做到这一点。我们可以在一个方向测量二极管，手动旋转二极管测量另一个方向，然后将数据组合在一起。但是，当我们应用正电压和负电压时，我们只能测量电流。事实上，这种技术是非常有用的，它被用来描述具有类二极管行为的许多类型的器件 - 太阳能电池和发光二极管都是很好的例子。图2显示了如何将二极管连接到ADALM1000以将电压从-5 V扫描到+5 V.

        
图2. -5 V至+5 V的扫描二极管通道A编程为从0 V扫描至5V，而通道B编程为从5 V扫描至0 V，通道之间的差异出现在电阻两端，用于限制电流和二极管。时域波形如图3所示。绿色曲线是通道A电压，橙色曲线是通道B电压，黄色曲线是通道B电流（通道A电流没有显示，但只是频道B电流）。

        
图3.电压和电流波形与时间的关系我们可以绘制这些测量数据，并同时进行一些简单的数学运算。我们想绘制的是通过二极管的电流与二极管两端的电压。要计算二极管两端的电压，我们可以从通道A和通道B之间的电压差减去电阻上的电压降（V = I×R）。下面的Python公式（在ALICE中使用）这样做：

        100是电阻的值。图4显示了二极管电流与该方程的关系曲线。

        
图4. -5 V至+5 V的二极管电流与电压的关系图源测量单位的用途是什么？
作为工厂测试和质量控制过程的一部分，许多日常物品将通过SMU进行测试。如果您使用LED照明您的家或在您的屋顶上有太阳能电池板，这些将作为制造过程的一部分使用SMU进行测试。
ADALM1000专为正在研究下一代电子设备的工程学学生使用而设计。了解大量材料和设备如何传导电力，从碳纳米管和量子阱异质结构到生物膜和生物传感器，都需要SMU。简而言之，您可以使用ADALM1000了解在-5 V至+5 V的电压范围内，直流或低频下任何元件的电气特性，测量电流范围为±0.1 mA至180 mA。
你能给我一个需要测量单位的测量的具体例子吗？
以太阳能电池为例。在研究实验室，工程师正在寻找更有效，更低成本的太阳能电池的方法。为了了解太阳能电池的工作状况，制作一个小型测试装置 - 可能是几平方厘米到几平方厘米的尺寸，然后表征其性能。这些测试单元太小，不足以产生超过照明的任何可用功率，例如单个LED，但它们足够大以表征基本的工作范围和效率。本示例实验使用ADALM1000来测量小型太阳能电池。
太阳能电池的关键特性是如何有效地将太阳能转化为电能。这可以通过用已知强度的光照亮测试单元并测量每单位面积产生的电功率来完成。由于功率是电压乘以电流，所以起点是测量端电压（V）和电流（I）。
产生的电压可以通过在照明时在电池端子上连接电压表来测量。类似地，可以使用电池终端上的电流表来测量电流。如果我们将测量的电流除以太阳能电池的面积，就可以得到电流密度。
然而问题在于：如果用电流（或电流密度）乘以电压，那么这只能告诉我们，如果我们有一个理想的设备，可以产生多少功率（或每单位面积的功率）。原因是电压表的内阻几乎是无限的，当我们自己测量电压时，没有电流流过。在这种情况下，产生零功率（测量电压×零电流=零）。这种测量称为开路电压。同样，当我们把电流表放在端子上测量电流时，我们正在测试电池是否短路，因为电流表的内部电阻几乎为零。在这种情况下，存在电流但没有施加电压。再次，没有发电（测量电流×零电压=零）。
对于任何实际的（实际）太阳能电池，其输出电压将取决于产生多少电流，这就是为什么使用SMU--使得电压可以在测量电流变化的同时变化。
图5中的图表显示了特定小型太阳能电池（在这种情况下，来自太阳能庭院灯的3cm×3cm太阳能电池）的典型IV曲线。目前是消极的，因为电流正在进入（沉没）SMU通道。0 V时的电流是短路电流，0电流时的电压是开路电压。

        
图5.太阳能电池I与V图。x轴：电压（V），y轴：电流I（mA）。IV曲线告诉我们电压和电流如何变化，并允许我们计算太阳能电池产生的实际功率量。图6绘出了功率（单位为mW）与电池两端的电压。下面的Python公式计算功率，单位为mW：

   
图6.太阳能电池功率与电压的关系 x轴：电压（V），y轴：P - mW图的峰值是产生最大功率的点（所谓的最大功率点）。功率是负的，因为SMU正在吸收电池产生的功率。
如果我们使用图2的技术，当施加负电压（反向偏压）时，我们也可以测量太阳能电池。这给了我们一些有用的信息。首先，它告诉我们该器件在反向偏置下不会击穿。这表明该设备质量很好。其次，它告诉我们是否有任何额外的可用电流。通过施加负电压，我们可以有效地将电荷从设备中抽出，否则将不会被提取。虽然这些吸入的电荷不能用来产生功率（我们实际上是在这个时候把电源加入器件，而不是提取），这使我们能够理解一些光电流损失机制。因此，测量IV曲线是太阳能电池开发和优化中最重要的工具之一。同样的，

        
图7. ADI公司的ADALM1000源测量单元。从这篇文章开始，我们将围绕SMU ADLAM100开始一个月度系列，并展示一些有趣的实验。如果您想要进行实验并对ADALM1000感兴趣，您可以从我们的经销商处获得：Digi-Key和Mouser。
Doug Mercer
Doug Mercer于1977年获得伦斯勒理工学院（RPI）的电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接为30多种数据转换器产品作出贡献，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转变，并继续在ADI作为名誉研究员进行咨询，为积极学习计划作出贡献。2016年，他被任命为RPI ECSE部门的工程师。

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