採用數位控制迴圈新架構　SMU達成負載響應客製化目標

美商國家儀器(NI)的SourceAdapt技術，首次搭載於四個通道的PXIe-4141 Precision SMU之上，以數位控制迴圈取代傳統的類比控制迴圈，為新一代的SUM技術。透過SourceAdapt技術，即可針對任何負載而客製化SMU響應，在無過衝(Overshoot)或振盪的條件下，以最短上升時間(Rise Time)達到理想的響應。

傳統SMU功用受限

SMU可部署閉迴圈的反饋控制，以確保受測負載的程式化電源值(Set Point)正確。傳統SMU均透過類比硬體而建構控制迴圈，但有其缺點。舉例來說，專為高速測試所設計的高頻寬SMU，往往不適用於需要高穩定性的高電容性負載。從另一方面來說，專為高電容性負載所設計SMU，卻又不適合高速測試。其實最舊型的SMU，均已針對高速或高穩定度的測試而最佳化。但由於舊款SMU難以設計出對特定負載範圍提供正確響應的電路，因此難以達到最佳響應。

SourceAdapt技術可針對已知的負載，而客製微調SMU的響應，以解決此一問題的基本面向。此最佳化的SMU影像並可達最短趨穩(Settling)時間，亦即達到更短的等待時間、更快的測試時間，將過衝降至最低，以保護受測裝置(DUT)而確保系統穩定度。

圖1　SMU對電容式負載的響應。SourceAdapt技術可達到客製化的響應(C)，以達最高穩定度與最短的暫態響應時間。

由於是以程式設計的方式微調SMU響應，因此針對高速測試所設定的SMU，也可針對高穩定度測試而輕鬆重新設定；讓測試設備達到最高投資報酬率，並獲得更優質的測試結果(圖1)。

類比控制迴圈限制多

此項常見問題，即是負載將直接影響控制迴圈的「輸出電壓/電流調整」轉換函式。因此，若要達成合適的響應，必須要能調整已知負載。

在此之前，製造商均提供不同的轉換函式設定方式。最常見的，則是針對控制迴圈的內外反饋路徑，進而切換相關的被動(Reactive)要素，如此的效果、可配置性、延伸功能往往受限。若要達到SourceAdapt技術的真正客製化程度，必須重新了解SMU控制迴圈的架構。

SMU控制迴圈共由兩組閉控制迴圈重疊而成，且分別用於電流與電壓。圖2顯示傳統SMU架構的概念。

圖2　傳統SMU架構的概念簡圖。注意此處的V-I Control是以類比硬體元件建構而成，其配置性極為有限。

這裡的控制迴圈(V-I Control)是針對電壓與電流的已知設定點，且其閉迴圈反饋可精確控制輸出電壓與電流，以對應至設定點。而整個控制迴圈，都是以放大器與其他主動(Active)類比硬體所架構。另由類比數位轉換器(ADC)讀取反饋訊號，以達精確量測作業。

若要以不同方式補償此架構，則需要更多的分離式被動元件。雖然透過切換器，能以程式設計的方式達到某種程度的調整；但此方法仍有其限制，頂多可讓使用者選擇少數幾種設定之一。因此，也成為「已知負載是否能最佳化SMU響應」的關鍵。若想要可隨意設定的控制迴圈，答案就在圖3的全新架構。

圖3　新的SMU架構。注意此V-I Control已移至數位區域，即於FPGA之內。

圖4　新的數位V-I Control整合器的開迴圈轉換函式。左為增益邊限；右為相位邊限。

在此新架構中，V-I Control移至數位區域，亦即現場可編程閘陣列(FPGA)之中，不同於類比控制迴圈，數位控制迴圈可完全透過軟體設定其合適的響應，而達最佳化的控制迴圈(圖4)。此特殊的多功能控制迴圈，更讓SourceAdapt技術可針對任何負載，客製化其SMU響應。

在V-I Control中，有一組整合器(Integrator)可確保直流(DC)精確度與迴圈常態；還有1組Pole-Zero Filter可客製化補償。使用者均可設定上述兩個區塊，以補足類比控制迴圈所欠缺的功能。且透過高速ADC與數位類比轉換器(DAC)，再搭配FPGA的強大處理功能，即可讓迴圈完美處理精確的電源量測應用。此架構不致犧牲系統效能，亦可提供函式轉換作業極高的可配置性。

函式轉換作業方式

SourceAdapt技術的新架構，共有兩種方法可轉換函式調整作業。首先，可於整合器上調整增益頻寬(Gain-Bandwidth Product, GBW)；或於轉換函式中，將反饋補償器(Feedback Compensator)作為任意頻率的超前(Lead)或落後(Lag)補償器(Compensator)(可讓使用者新增Pole-Zero耦合)。

位於輸出路徑上的整合器將提供開迴圈轉換函式，且其外觀近似於Bode Magnitude(增益邊限，Gain Margin)與相位邊限(Phase Margin)圖(圖5～6)。

圖5　整合器的開迴圈轉換函式。左為增益邊限；右為相位邊限。

圖6　對應的1V步進響應，包含未載入的輸出(針對圖5中的轉換函式)。

在調整整合器的增益或迴圈的GBW後，即可調整迴圈的整體響應以便更慢更穩定。只要減緩迴圈速度，即可強制穩定度降低的被動負載達到較高穩定度的動作。圖7～8所顯示的控制迴圈，即是將電容器作為負載。電容器所導入的極性(Pole)，將與電容及輸出階段的分流電阻器(Shunt Resistor)成頻率反比關係，且將同時影響增益與相位。接著將針對一組0.1微法(μF)的電容器，造成圖7中的開迴圈頻率響應，並伴隨圖8中的步進響應。

圖7　將0.1微法電容器作為負載時，開迴圈轉換函式處於邊限穩定狀態。

圖8　將0.1微法電容器作為負載時，所對應的1V步進響應。

如圖8所示，該響應為欠阻尼(Under-damped)狀態，即是發生過衝並耗上極長的時間才趨穩。若調整GBW，即可優化此系統的動作。若主要考量是須完全消除過衝，則必須放慢迴圈速度，直到可取得響應卻不造成任何過衝。須注意的是，雖然能達到消除過衝的目的，但系統的響應極為緩慢。若要達到最佳響應，就須以第二種方法調整轉換函式，也就是用反饋補償器，並作為超前或落後補償器。

使用反饋補償器

SourceAdapt技術提供可最佳化響應的第二種工具：反饋補償器。延續前面的範例，要達到快速上升時間，又要避免過衝與振盪，此時就必須透過補償器而抵消電容器所產生的極化。透過這種控制，即可進一步提高GBW而達到較快的上升時間，同時仍保有穩定性。

SourceAdapt將帶來新變革

此篇文章說明設定SMU轉換函式的步驟，以對不同的負載提供適合響應，並進一步透過SourceAdapt新技術掌握相關配置性。透過SourceAdapt技術，工程師可針對任何負載而完整客製化SMU響應，並達到最短上升時間、無過衝、無振盪的最佳響應；進而快速測試DUT並避免意外損壞或系統穩定度的風險。

(本文作者任職於美商國家儀器)