בדיקות רבות דורשות אספקת מתח משתנה או זרם להתקן נבדק או יחידה נבדקת וביצוע מדידות מתח או זרם. דוגמה טיפוסית הינה קביעת עקומת מתח-זרם (I – V) של דיודה. דרך אחת לביצוע בדיקה זאת היא להשתמש בספק כוח כמקור וכן במד-מתח ספרתי כדי לבצע את המדידה. דרך נוספת לבצע את זה היא להשתמש במכשיר אחד הן לצורך אספקת הכוח והן לצורך המדידה, יחידת מקור-מודד. כפי שהשם מרמז, מכשיר זה מסוגל הן לספק מתח ו/או זרם והן לבצע את המדידה הנדרשת. אז, מה ההבדל בין שתי הגישות, ומתי עדיפה אחת על רעותה?
איור 1. תצורת בדיקה טיפוסית כוללת ספק כוח וכן רב-מודד ספרתי. כאשר היא ממומשת כפי שהיא מוצגת, מערכת זו יכולה לשמש למדידת הזרם הזורם דרך נגד המיצד החיצוני, אבל גם אפשרי להשתמש ביכולת מדידת הזרם ושקעי מדידת הזרם של רב-המודד הספרתי למדידה ישירה של הזרם, בהתאם לרמה ולרגישות הנדרשות. יחידת מקור-מודד מספק מעבר אוטומטי בין מקור הזרם, המתח והמדידה וכמו גם מעבר ידני או ממוכן על פני תחומים רבים של זרם ומתח
באמצעות ספק כוח ורב-מודד ספרתי
אחד היישומים בו משתמשים בספק כוח מדויק (כמו סדרת 2200 של Keithley) ורב-מודד ספרתי (כמו סדרת 7500 של Keithley) כרוך באפיון הזרם הנצרך על ידי התקן או מעגל, ברמות מתח שונות. איור 1. מציג מערך עבודה טיפוסי. מהנדסים משתמשים בדרך כלל בסוג זה של מערך כאשר בודקים לוחות אב-טיפוס של מעגל. מערך זה עשוי לכלול גם מחשב המשמש לשליטה על הבדיקה, אך במקרים רבים המחשב הוא לא באמת הכרחי. המהנדס או הטכנאי קובע בצורה ידנית את מוצא ספק הכוח ומבצע את מדידת הזרם עם רב-המודד הספרתי. רק במקרים בהם יש צורך בבדיקת יחידות רבות, או באם תוצאות הבדיקה חייבות להיקלט ולהישמר בצורה ספרתית, השימוש במחשב הופך להכרחי והבדיקה מבוצעת בצורה ממוכנת.
באופן דומה, ניתן להשתמש בספק כוח וברב-מודד ספרתי לאפיון הנתונים של מוליכים למחצה. נניח שיש צורך למדוד את מתח סף ההולכה ואת זרם הדלף של דיודה. מערך המדידה יהיה דומה לתצורה שמוצגת באיור 1. ומדידות הזרם דרך הדיודה תתבצענה כאשר מוצא המתח בספק הכוח ישונה החל מרמה מסוימת שלילית (הקטנה מרמת מתח הפריצה של הדיודה) לרמות מתח חיוביות, עד לרמה הגבוהה ממתח סף ההולכה.
איור 2. מבנה בסיסי של יחידת מקור-מודד מכיל ספק כוח מדויק ורב-מודד ספרתי בעל ביצועים גבוהים
רב-מודד ספרתי ספק כוח
יש להדגיש כי, באם אין בהישג ספק כוח דו-קוטבי, יהיה הכרח להחליף ידנית (או בצורה ממוכנת) את המוליכים המחוברים למוצא ספק הכוח, בהתאם לקוטביות הבדיקה.
יש צורך בבחינת כמה נושאים בעת שימוש בספק כוח כמקור לבדיקה זאת. הראשון, הוא נתוני ההבחנה והדיוק של ספק הכוח. כאשר מנסים לקבוע במדויק את מתח סף ההולכה עבור דיודה, יש צורך במכשיר בעל הבחנה ודיוק גבוהים, כך שקביעת הערך הנ”ל תתבצע במדויק.
משתנה נוסף החייב להילקח בחשבון הוא זמן ההתייצבות. זהו הזמן שלוקח למוצא ספק הכוח להתייצב לערכו הסופי. כאשר מאפיינים דיודות, יש להמתין עד שמוצא ספק הכוח מתייצב לפני ביצוע מדידת הזרם.
ברוב היישומים, שינויי מתח מוצא ספק הכח מתבצע לעיתים רחוקות וזמן ההתייצבות אינו מהווה שיקול. אבל, כאשר משנים את מתח המקור על פני תחום שלם, יתבצעו הרבה שינויים של ערכי המוצא. בשלב מסוים, זמן ההתייצבות הופך לנושא משמעותי ומשפיע, משום שהוא מאריך את זמן הבדיקה.
עבור יישום כמו אפיון של מוליכים למחצה, סביר להניח שיהיה צורך למכן את הבדיקה. במקרה כזה, גורם שבוודאי ישפיע על זמן הבדיקה ועל תהליך פיתוח מערך הבדיקה, בעת שימוש ספקי כוח ורבי-מודדים ספרתיים נפרדים – הוא שילוב המערכת. ביסודו של דבר, ככל שיש מכשירים רבים יותר, כך יגדל זמן פיתוח הבדיקות.
איור 3. מוצאו של ספק כוח דו-קוטבי (מימין) פועל בשני רביעים; יחידת מקור-מודד (משמאל) יכולה לספק ולצרוך הספק בכל ארבעת הרביעים
באמצעות יחידת מקור-מודד (SMU)
כדי לטפל ולהתגבר על כמה מהחסרונות של שימוש בספקי כוח מדויקים ורבי-מודדים ספרתיים ביישומים מסוימים, יצרני ציוד הבדיקה פיתחו מכשיר יחיד הנקרא יחידת מקור-מודד (Source Measure Unit) או SMU (כמו סדרת 2400 של Keithley). סוג זה של מכשיר משלב את היכולות של ספק כוח מדויק (PPS) עם אלה של רב-מודד ספרתי בעל ביצועים גבוהים (DMM) במכשיר אחד. יחידת מקור-מודד מסוגלת לספק או למדוד מתח בו-זמנית עם מדידת זרם, ולספק או לצרוך זרם, בו-זמנית עם מדידות מתח (איור 2).
ניתן להשתמש ביחידות מקור-מודד כמקורות מתח או מקורות זרם עצמאיים, כמדי מתח, מדי זרם, מדי התנגדות ועומסים אלקטרוניים מדויקים עצמאיים. המבנה שלהן גם מאפשר להשתמש בהן כמחוללי ספקים, מחוללי צורות גל, והן מערכות אוטומטיות לאפיון זרם-מתח (I – V).
איור 4. ישנן מספר תצורות עבור ביצוע מדידות עם יחידת מקור-מודד אשר ניתנות לבחירה בקלות מהלוח הקדמי של היחידה או באמצעות ממשקי תוכנה מרחוק
במה הם שונים?
בהתחשב בכך שיחידת מקור-מודד משלבת את תפקידי ספק כוח ורב-מודד ספרתי, איך בדיוק נבדל מקור המתח של יחידת מקור-מודד מזה של ספק כוח טיפוסי?
מהירות ודיוק: יחידות מקור-מודד מתוכננות ומותאמות הן למהירות והן לדיוק, כך שהן יכולות להציע זמני עליה מהירים משמעותית ואי-דיוק קטן בהרבה, מאלה של ספקי הכוח. זמן ההתייצבות של יחידת מקור-מודד נמדד במיקרו שניות, לעומת זמן של מילי שניות הדרוש לספקי הכוח בכדי להתייצב לערך שתוכנת. באופן דומה, אי-וודאות המדידה של יחידת מקור-מודד נמדדת בננו אמפרים, לעומת מיקרו אמפרים עבור ספקי כוח טיפוסיים.
טווח פעולה והבחנה: יחידות מקור-מודד נועדו להציע יכולת זרם נמוך טובה יותר מאשר ספקי כוח. בשל כך, יחידות מקור-מודד מציעות בדרך כלל טווחי פעולה בעלי הבחנה גבוהה יותר מאשר ספקי כוח, כך שהן מתאימות למגוון רחב יותר של יישומי בדיקה ומדידה.
פעולה בארבעה רביעים: כפי שניתן לראות באיור 3, ספק כוח דו-קוטבי טיפוסי יכול לשמש רק כמקור מתח או זרם. במילים אחרות, הוא מספק רק פעולה דו-רביעית (בגזרות I ו-III), לעומת יחידת מקור-מודד היכולה לפעול בכל ארבעת הרביעים, בשל יכולותיה לפעול הן כספק והן כצרכן הספק, ויכולה לתפקד הן כספק כוח והן כעומס אלקטרוני. במהלך פעולה כמקור או צרכן, יחידת מקור-מודד יכולה בעת ובעונה אחת למדוד מתח, זרם והתנגדות. גמישות תפעולית זאת יכולה להיות בעלת ערך במיוחד כאשר מאפיינים סוללות, תאים סולריים, או מכשירים להפקת אנרגיה אחרים.
יכולת סחף: סחף היא פשוט סדרה של נקודות או של ערכי זרם או מתח שהמקור מספק, בזמן מדידת תגובת היחידה הנבדקת. אפשרויות הסחף המגוונות שיחידות מקור-מודד מציעות יכולות לפשט את תוכנת המקור של הבדיקה, השהיה, ומדידת מאפיינים, וע”י כך לזרז בצורה משמעותית את יעילות הבדיקות. כל ביצועי הסחף ניתנים לתכנון עבור אירוע יחיד או פעולה רציפה, כדי לפשט את תהליך לכידת הנתונים הדרושים כדי לאפיין ולבדוק מגוון רחב של התקנים. ניתן להשתמש בביצועי סחף גם בשילוב עם יכולות לשיפור התפוקה, כגון בדיקת גבוליות (Hi-Lo)
ובקרת I/O ספרתית ליצירת מערכות בדיקה במהירות גבוהה לייצור.
סחף בעל רמה קבועה מספק רמה אחת של מתח או זרם עם מדידות מרובות. זה נעשה בדרך כלל בכדי להפעיל התקן במתח נקוב או מתח דחק. ניתן ליצור סוגים שונים של ביצועי סחף ברמה קבועה, בהתאם לצרכים של היישום.
סחף דופקים משמש לעתים קרובות כדי להגביל את כמות ההספק הנצרך ע”י דגם של חומר או התקן לאורך זמן וכדי למזער את ההשפעות החימום העצמי, שאחרת עלול לפגוע במוליכים למחצה, דיודות פולטות אור, חומרים ניסיוניים כגון גרפן, או התקנים רגישים או שבריריים, כגון אלה המבוססים ננוטכנולוגיה.
סחף בהתאם ליישום מפשט יצירת גלים בהתאם לצרכי היישום ויכול להיות ליניארי, לוגריתמים או אקראי.
ביצוע מדידות עם יחידת מקור-מודד אף שונה מביצוע מדידות עם רב-מודד ספרתי. כיוון שיחידת מקור-מודד כוללת מקור משולב, היא יכולה למזער את האי-ודאות הכללית ביישומים רבים. התרשים הראשון באיור 4, מראה את התצורה הבסיסית של מד-המתח ביחידת מקור-מודד. כאן, מקור הזרם המובנה יכול לשמש כדי לקזז או לדכא זרמי דלף ברמת מערכת (כגון רעש כבל), שעלולים לגרום לשגיאות ביישומים של מדידת מתח.
עבור מדידות זרם, המקור המובנה בתוך יחידת מקור-מודד וכן תכנון ה”מד-זרם משוב” פועלים יחדיו בכדי לשמור על רמת מתח נמוכה, ולאפשר מדידת זרמים נמוכים ברמות של פיקו אמפרים או פחות. מדי-מתח ספרתיים אינם מכילים מקור מובנה, ובדרך כלל מתוכננים בשיטת ה”מד- זרם עם מיצד”, דבר שעשוי להגביל יכולות של מדידת זרמים לרמות של מיקרו אמפרים או ננו אמפרים.
לבסוף, עבור מדידות התנגדות, מבנה יחידת המקור-מודד מציע גמישות מלאה לערכי הזרם או המתח המסופקים להתקן הנבדק. רבי-המודדים הספרתיים מכילים בדרך כלל מקור זרם בעל ערכים בדידים, הנקבעים מראש על ידי היצרן ומותנים בתחום בו משתמשים למדידת ההתנגדות. יחידת מקור-מודד מציעה תכנות מלא של אופני עבודה וערכים של מקור זרם או מתח למדידת התנגדות. עובדה זאת הינה בעלת ערך להגנת ההתקן הנבדק או למדידת התנגדויות גבוהות מאוד או נמוכות מאוד. עבור מדידות של התנגדות גבוהה, שיטת מקור מתח היא המועדפת; עבור מדידות של התנגדות נמוכה, שיטת מקור זרם היא הטובה ביותר. יחידות מקור-מודד מסוימות כוללות מדידת התנגדות בשיטת שישה-חוטים, אשר מצמצמת בהרבה את מסלולי ההתנגדות המקבילית הלא רצויה במעגל.
סיכום
בה בעת שספק כוח ומד-מתח ספרתי מספיקים עבור יישומים רבים, יחידות מקור-מודד הינה הבחירה הטובה ביותר עבור יישומים בהם נדרש דיוק המקור וטווח דינמי רחב של רמות מתח
ו/או זרם. זה כולל יישומים, כגון אפיון ובדיקת מוליכים למחצה והתקנים אחרים לא-ליניאריים, או חומרים – עבור דליפה, פריצה ומאפייני פועלה קדומנית. יישומים חשובים שבהם היכולות של יחידת מקור-מודד שימושיות לאפיון ביצועי פעולה במלואם, הם בדיקת וקביעת התנגדות והתנגדות סגולית של חומר.
יחידות מקור-מודד הן הבחירה הטובה ביותר עבור בדיקות הדורשות מיכון. כאשר נשקל שימוש במכשירים נפרדים כדי לטפל בכל מטלה, הביצוע הבו-זמני של יחידות מקור-מודד מספק זמני בדיקה מהירים יותר, חיבורים פשוטים, דיוק משופר, תכנות פחות מורכב ועלות אחזקה נמוכה יותר. השילוב המהודק במבנה יחידת המקור-מודד, מגן על המכשיר הנבדק מפני נזקים עקב העמסת יתר בשוגג, בריחה חומנית, וסכנות אחרות.
הכתבה נערכה והוגשה באדיבות חברות Keithley Instruments ודן-אל טכנולוגיות, בע”מ, נציגת החברה בישראל.
