自20年前推出SMU以来，源测量单元（SMUs）已演变成一个多用途的仪器类别，人们经常要求SMU解决电子行业应用的快速扩大阵列：

半导体设备制造，工艺开发和产品研发/设计

电子产品的生产验证，如便携式无线设备

器件所需新型先进材料的生产和开发，如太阳能电池和高亮度LED

几乎所有电子设备的测试应用程序

在探讨定义SMU技术因素之前，精确定义SMU是什么（不是什么）会很有帮助。本质上讲，SMU是快速响应、能够回读电压和电流的源，具有高精度测量的能力，紧密地集成在单封闭机箱内。它们设计用于线路和设备评估，必须在测试设备上（DUT）施加一个直流信号，并且需要对被测信号做出响应。SMU具有四象限运行（图1）的能力，作为正负直流电源或吸收（负载）。它们还提供高度可重复的测量，通常具有5 -或6 -的数字分辨率。 SMU通常对用于确定被测设备I-V特性的电流和电压进行扫描。由于这些优势，SMU已被广泛地应用在工业领域，并且是许多自动化测试系统的通用部件。

图1 四象限SMU设计

有些主张与此相反，认为传统仪器在测试与测量行业仍然是一个重要的、逐渐增多的部件。虽然特定的通信接口（GPIB，RS - 232等）可能会随着时间的推移而过时，但是在系统中单独使用或与其它SMU集成使用的基于仪器的SMU，通常为宽范围需求的应用提供最快、最准确、最灵活的解决方案。“部件”SMU往往牺牲他们的性能以提供一个特定的外形因子。

最宽的可用功率和信号范围

针对多类型装置的测试，期望测试设备具有工作在宽范围信号等级的能力。例如，功率MOSFET导通时的电阻非常低，通过极大的电流，但是关断时的电阻非常高，并允许流过几乎为零的电流。MOSFET处于开通状态时，电流高达几十安培，关断时电流可能小于纳安培。功率二极管和高亮度发光二极管具有相似的动态范围要求，其全部特性也相似。对于这类器件，当施加的正向偏置电压低于阈值电压时，流过器件的电流非常低。当电压从0V至阈值电压扫描时，器件的电流从亚纳安范围上升到毫安级。当偏置电压达到并超过阈值电压时，测试电流快速增加，达到几十甚至几百安培，这个电流值取决于设备。期望测试设备能在宽范围内具有精确测量的能力，这样可以减少所需测试设备的数量，从而降低系统的复杂性和成本。

图2 吉时利SMU和竞争对手的动态范围比较

吉时利数字源表 仪器结合了大部分单一仪器最宽范围信号的最大能力。型号2651A高功率源表可提供高达200W的直流电源和2000W的脉冲功率。它可以测量高达50A的电流，具有最大分辨率为1pA的测量能力。型号2636A动态范围上领先于行业，具有测量10A降至1fA信号的能力，提供160位电流分辨率。

一些基于SMU仪器的竞争对手宣称，型号2636A双通道系统源表仪器具有相同的动态覆盖范围，测量10A降至10fA的信号。然而，当比较每一个SMU（图2）测量范围时，很明显型号2636A在电流幅值上比竞争产品低两个数量级。这意味着型号2636A不是必须依赖其测量范围的最低有效位和最低精度位来实现真正的宽动态范围。对于仪器用户，在低电流测量的准确度方面提供了更大的信心。

部件SMU的供应商也宣称他们的宽范围覆盖性。然而，这些外形因子限制了他们的动态范围，使其比基于SMU的Keithley仪器小几十倍。在高端范围，他们受限于设备能够提供多大的功率，大多数部件SMU最大输出100mA的电流。在低端范围，对于各种实际的低压测量，所有设计在较小空间、具有不充分屏蔽的线路的电磁干扰会产生过多的电噪声。结果就是通常看不到部件SMU的任何电流低于10微安。

最快的模数转换器

测试设备制造商总是尽力推动从SMU每秒读出更多的读数。SMU的数字引擎得到升级，通信信道的带宽增加，但最终提高速度最有效的方法就是降低测量本身的时间。由于卓越的抗噪能力，大多数SMU使用积分模数转换器（ADC）来进行测量，并可以更好的获得精确的高分辨率结果。然而，从积分ADC得到的测量的质量直接与时间相关，因为它被迫运行的很快，因此测量的质量被降低。

TSP-Link技术提供了一流的系统扩展方法，不需要昂贵的GPIB适配器和线缆，而且通过大量减少仪表与主机之间通信数量，可以提高系统吞吐量。不过，TSP-Link技术的真实功率在于其同步运行多个测试提高吞吐量的能力。除了源测量单元（SMU），无论它们是在底板上基于组件的SMU还是在GPIB总线上基于仪表的SMU，访问总线是受限的，主机每次必须向每个SMU发送命令。为系统增添更多的SMU意味着增加主机必须处理的器件数量，主机必须向其发送命令。由于在这些系统中，每次只能向一个SMU发送命令，因此所有测试都必须按顺序进行。

再通过TSP-Link接口连接的系统中，可以对网络中的仪表进行分组，每组拥有自己的测试脚本处理器，能够与系统中的任何其他组并行运行脚本。分组中可以包括单一源数据表或多个源数据表，而且通常可以根据测试器件所需的SMU通道数量进行分组。例如，如果正在测试的器件是一个四端口（栅极、漏极、源极、基极）MOSFET，对晶圆进行测试，而且每个管脚需要一个SMU，那么可以将其分组为两个双通道源数据表，如2636A型双通道系统源数据表。一旦确定分组而且为每组指定运行的脚本，主机就可以通过一个命令指示所有组开始并行运行。由于在内存中已经存储每组的脚本，主机只需再次发送命令就可以进行反复测试。

以晶片上的4端口MOSFET为例，假设一个TSP-Link网络包括一个组以及一个完整的测试序列，步骤如下：

主机发送开始执行的命令。

脚本运行并对器件进行一系列完整的测试。

数据反馈至主机，同时探测台将探针移至下一个测试点。

如果整个序列需要1秒钟完成，那么照此速度，每分钟就可以测试60个点位。如果为TSP-Link网络添加另外一组，测试仍然只需1秒钟完成。不过，增加第二组后，有可能对两个器件并行测试，因此吞吐量将翻倍，即每分钟测试120个点位。利用TSP-Link技术，只需为网络添加分组，就可以提高系统吞吐量。

支持最大性能的I/O连接器

吉时利工程师为源数据表选择了输入/输出连接器，旨在为目标应用提供最大性能。对于中级信号范围，banana连接非常适合传输信号并提供最大的易用性，这也是2400 系列源数据表提供这种连接的原因。不过，对于那些电流很大或很小的应用H，banana连接则不能支持所需的性能等级，因袭必须使用其他连接器。

对于像2651A型大功率源数据表这样的大电流源数据表，其直流电流高达20A，脉冲电流高达50A。

常见的banana连接器的额定电流是15A，接触电阻高达10 mΩ。在50A电流时，仅这个接触电阻就将带来0.5V的压降。吉时利选择使用性能更优的菲尼克斯连接器，其额定电流高达76A DC。这种连接器的电流容量额定值不仅足以满足2651A型仪表需求，而且其接触电阻非常低，不会在测试引线产生过大的压降，从而实现了性能最大化，减缓上升和稳定时间。菲尼克斯连接器的额定接触电阻仅为0.3 mΩ，在50A电流时的压降仅为15mV。为了便于器件连接，连接器与螺旋式接线柱已进行匹配，提高了易用性。

对于电流低于1毫微安培的应用，选择泄露电流最小并支持所需电压的连接器非常重要。这也是吉时利公司的源数据表，如237型高压源测量单元、2636A型双通道系统源数据表以及6430型亚FA程控数据源表，都使用三轴连接器的原因。标准的三轴连接器可以在1500V高压下安全运行，并涵盖这些仪表的输出电压容量。不过，使用三轴连接器的最大益处是将漏电流减到最小，实际上通过保护测试信号，几乎可以杜绝漏电流。

解释受保护三轴连接能够消除漏电流的最简单方法是将其与未受保护得同轴连接进行比较。同轴连接是在中心导体周围包裹一层屏蔽，二者之间是绝缘层。SMU的HI信号施加到中心导体，LO信号加于屏蔽层，如图5所示。

图5： 未受保护的同轴连接

 在同轴连接中，中心导体和屏蔽层之间的绝缘体形成阻抗路径（RL），它以并联方式与待测器件（RDUT）相连。这个额外的电流路径产生漏电流（IL），叠加到通过待测器件的电流（IDUT），得到测量电流（IM）。