מאת:| ריק אידס, Agilent Technologies

תקציר:
במאמר זה משתף ריק אידס – מנהל תוכנית ®PCI Express של חטיבת הבדיקות הדיגיטליות ב-Agilent וחבר מועצת ®PCI-SIG – את דעותיו בנוגע לביקוש הנוכחי והבלתי נדלה לרוחב פס, ומתאר כיצד יוכלו תקני PCI Express 3.0 המתגבשים לסייע למהנדסים בהתמודדות עמו. הוא מסביר את היתרונות הנלווים לכמה מן התכונות והיכולות החדשות הגלומות בטכנולוגיית Gen 3 ודן באתגרים שעמם צפויים המהנדסים להתמודד בעת בדיקה של התקניהם החדשים. בנוסף, ריק מתייחס גם לחשיבות התקנים הדיגיטליים ולתפקיד הקריטי השמור למומחיות בתחום המדידה לאורך תהליכים המאפשרים יכולת פעולה הדדית.
אם ראיתם את הסרט “חנות קטנה ומטריפה”, מן הסתם זכור לכם הצמח הטורף – אודרי II – הדורש לקבל את מזונו, כשהלחץ והזעם בקולו הולכים וגוברים בהדרגה.
האינטרנט, על תאבונה שאינו יודע שובע לרוחב פס, ראויה ללא ספק לשם “אודרי III”.
הגל החדש של מחשוב בענן, יישומי גיימינג מקוונים עתירי גרפיקה וזרימת וידאו מניעים את הרעב המטורף לרוחב פס. קראתי לאחרונה, כי בשנה שעברה ייצרה יו-טיוב תעבורת אינטרנט שהייתה שווה בהיקפה לתעבורה שייצרה האינטרנט כולה לפני עשור. מה יקרה אפוא כשיו-טיוב תתחיל לספק סרטוני וידאו בתלת-ממד ובאיכות 1080P? ככל שהאיכות עולה, כך נידרש לבצע העברה של נתונים רבים יותר. אודרי III תאבד שליטה לחלוטין.
בנוסף לביקוש האדיר לרוחב פס, גם מאגרי ה”צנרת” המיועדים להעברת כמות הסיבים האדירה הולכים ואוזלים. לפני עשר שנים, הענף היה כמרקחה, שכן 90 אחוזים מכלל הסיבים שנפרסו בשנות ה-90 היו במצב “האפלה” – דהיינו, הם היו אמנם פרוסים בשטח, אבל נותרו ללא שימוש. כיום, הסיבים כולם “מוארים”. הוספת סיבים או מעבר לטכנולוגיה אופטית יכולים לעזור, אבל מדובר בפתרון יקר.

בגין הפסדים בערוצים גבוהי תדרים, אות ה-PCIe 3.0 שבסוף הערוץ הוא “עין סגורה” (חלק עליון). נדרשת אקווליזציית CTLE של הרסיבר.

בקצבים של GBit/s , תקן PCI Express 3.0 עושה שימוש באקווליזציה נרחבת מבוססת משדר (de-emphasis) לצורך קיזוז הפסדי הערוצים בתדרים הגבוהים.

אפיק ה-PCI Express מקדם את רוחב הפס
הדור האחרון של טכנולוגיית PCI Express® – Gen 3 – צפוי לסייע בהתמודדות עם הביקוש לרוחב פס אחר. כאשר הציגה אינטל את אפיק ה-PCI Express 1.0 הטורי בשנת 2004, התקן סיפק רוחב פס מקורב של 6.4 GB/s – שיפור לא מבוטל לעומת האפיקים המקביליים שבהם נעשה שימוש באותה עת. טכנולוגיית PCI Express Gen 1 עדיין נפוצה למדי – וכמעט זמינה בכל מקום. כיום היא כה זולה – לא חינמית אמנם, אבל קרובה לכך – עד שהיא משולבת במוצרי צריכה יומיומיים, החל במכונות קפה וכלה במכונות תפירה.
הגרסה הנוכחית של PCI Express – 3.0 – הלכה בעקבותיה של PCIe 2.1 והכפילה את תפוקת רוחב הפס על-ידי שינוי סכמת הקידוד שבה נעשה שימוש בגרסאות PCIe 1.x ו- גרסת Gen 3 תניב רוחב פס כולל מקורב של . שיפור של פי 4 בתפוקה המושג בתוך 6 שנים הוא בהחלט משמעותי – ומדובר ללא ספק בשיפור שהגיע בזמן.
הגידול ברוחב הפס מאפשר למפתחים ולמתכננים להטמיע interconnects (חברור) צרים יותר, לשפר את הפרודוקטיביות ולהפחית עלויות. תקן PCI Express 3.0 מתאפיין בתאימות לאחור עם גרסאות 2.0, 1.1 ו-1.0a, כך שההתקנים ולוחות האם שיתוכננו עבור Gen 3.0 יעבדו גם עם תקנים קודמים. התקן שיפר את פרוטוקול העברת הנתונים Point-to-Point ואת ארכיטקטורת התוכנה שלו, ומתאפיין בסבילות רבה יותר לבדיקות ריצוד ובחון (PROBING).
טכנולוגיית Gen 3 תיפרס תחילה ביישומי גרפיקה המיועדים לקצה העליון, שצרכניהם מעוניינים בהתנהגות “ריאליסטית” יותר על המסך – לדוגמה, מחשבי גיימרים. במגזר שוק זה, הצרכנים מוכנים לשלם תמורת לוחות איכותיים ויקרים.
מרחב השרתים הוא מגזר שוק נוסף, שבו צפוי תקן PCI Express 3.0 לזכות בהצלחה משמעותית. טכנולוגיית PCI Express Gen 3 מאפשרת לשלב ביצועים ברמת x16 Gen 2 בגורם צורה של x8. בדרך כלל, תכנוני השרתים מוגבלים במקום ולעתים מזומנות כרטיסי x16 פשוט גדולים מדי. כרטיסי הממשק מסוג x8 LAN צפויים לספק ביצועים של . נראה, כי זה יהיה אחד מהכוחות המניעים המשמעותיים ביותר עבור טכנולוגיית PCI Express Gen 3.

זו דיאגרמת עין של סיבית ההעברה עבור אות PCI3 3.0 ממשי. גם לאחר שבוצעה אקווליזציית CTLE ו-DFE, גובה העין נמוך בצורה משמעותית לעומת Gen2.

בתמונה אוסילוסקופ מדגם Infiniium 90000X התומך בתקן PCI Express 3.0

אתגרי תקן PCI Express 3.0
המעבר ל-PCI Express 3.0 יהווה אתגר עבור מעבדות אימות ומהנדסי בדיקה רבים, שכן התקן מטמיע מהירויות גבוהות יותר תוך שהוא מתיימר לתמוך בטופולוגיות ובאורכי ערוצים זהים. הטכנולוגיה החדשה אף כרוכה בשינוי מוחלט של סכמת הקידוד ומתאפיינת בתכונות מתקדמות של פרוטוקולים.
מבחינה ארכיטקטונית, ממשק PCI Exp Gen 3 עובר מאפיק SOUTH BRIDGE למעבד הראשי עצמו. המשמעות של ארכיטקטורה זו היא, כי ה-trace links עשויים להיות ארוכים מעט יותר וכי הדבר עלול להפוך את ניתוב האותות למעט מורכב יותר, אולם כך יימנעו זמני ההשהיה הקשורים ב-SOUTH BRIDGE. יצרני השבבים יידרשו לשקול ולקזז את הביצועים לעומת מורכבות הניתוב.
באופן כללי, יהיה קשה יותר לבדוק את התקני ה-PCI Express 3.0 מאשר את התקני Gen 2. בכל הנוגע למפרט הבסיס של טכנולוגיית Gen 3, איננו צופים שהמהנדסים יבצעו מדידות בפינים באופן ישיר, שכן הלחמת הבחון לפין עלולה לגרום יותר בעיות מאשר הן יפתרו. במקום זה, המהנדסים יצטרכו ליצור לוחות עם מסלול מדויק נוסף (ערוץ ה-breakout) המתפצל מהמסלול הראשי כך שאותות ה-PCI Express יובאו לסביבת מדידה דרך חיבורים ועקבות עכבה מבוקרות.
בעת שימוש בגישה זו, יש להסיר מתוצאות המדידה את השפעות ניחות המעבר (insertion loss) של ערוץ ה-breakout. ה-PCI-SIG ממליצה למהנדסים ליצור ערוצי “רפליקה”, אשר משכפלים את העקבות באופן שמקל על השימוש ב-TDR או ב-VNA לצורך חישוב ההשפעות תלויות התדר.
כדי להשיג קצב של GT/s בחומר FR4 PCB, יהיה עליך להכיל אקווליזציה בתוך המקלט. בעת פעולה בתדרים גבוהים, רוב תכולת התדרים שמעל 8 גה”צ עוברת ניחות על-ידי הערוץ, כך שאין לכך השפעה רבה מדי על המקלט. הדבר מקל על פעולת ההסרה (de-embedding), כיוון שבמקרים מסוימים היצרנים מבצעים הסרה רק עד ל-8 גה”צ והשפעות הרעש של התדרים הגבוהים, אשר עלולות בדרך כלל להיגרם על-ידי פעולת ה-de-embedding, מוגבלות למעשה.
מדוע יש חשיבות לתקנים
נוכח העובדה שהתדרים ורוחבי הפס הופכים גבוהים יותר, על גופי התקינה לקחת בחשבון את דרישות הבדיקה והמדידה בעת כתיבתם של מפרטים חדשים. אם לא יעשו כן, ייתכן שהמהנדסים לא יצליחו לבדוק את התקניהם כדי לוודא תאימות למפרט. המדידות נדרשות לצורך אבחון בעיות ואימות החלתם של הפתרונות הנכונים.
Agilent היא חברה תורמת ופעילה ב-PCI-SIG ומכהנת במועצת המנהלים של הקבוצה. ציוד של Agilent נמצא בשימוש בסדנאות התאימות של ה-PCI-SIG, ומאפשר לאמת את ציות החברות למפרט ה-PCI Express. מעורבותה של Agilent בתקנים אלה מבטיחה למהנדסי התכנון שני יתרונות מרכזיים:
ראשית, היא מאפשרת לספק לשוק את המוצרים הנכונים, כאשר המהנדסים זקוקים להם.
שנית, בזכות מעורבותה של Agilent ב-plug-fests, סדנאות וסמינרים, החברה נמצאת בעמדה ייחודית שמאפשרת פיתוח פתרונות אשר מתפתחים במקביל לתקנים וכך מעניקים למהנדסים את היכולת לתכנן את מוצריהם בביטחון מלא.
תקני PCI Express החדשים יאפשרו למהנדסים להגדיל את רוחב הפס והתפוקה, ולהשביע את רעבונה של אודרי III – לפחות לעת עתה. Agilent מצוידת בכלי הבדיקה והמדידה הנדרשים, אשר יסייעו למהנדסים להתגבר על האתגרים ולהאיץ את תהליך הפיתוח של התקני Gen 3 החדשים.
PCI Express ו-PCI-SIG הם סימני מסחר רשומים ו/או סימני שירות של PCI-SIG.

קית’ אנדרסון, Agilent Technologies

מגברי RF גבוהי הספק נמצאים בשימוש במערכות טלקומוניקציה, ביו-רפואיות וצבאיות. מגברים אלה, שרמות הספק המוצא שלהם מגיעות עד ל-1kW, מיועדים בדרך כלל לפעול עד לנקודת דחיסה או בקרבתה, כדי לספק את הספק המוצא המרבי האפשרי. הדבר עלול לגרום ליצירת הרמוניות, עיוות שמקורו באינטרמודולציה ודחיסת שבח, שלרוב הנם תוצרי לוואי בלתי רצויים. כתוצאה מכך, תכנון מגברים גבוהי הספק מצריך בדרך כלל ניתוח מעמיק של התנהגותם הלא-ליניארית.
בעבר, בעת תכנונן של מערכות שכללו מגברים גבוהי הספק, המתכנן נדרש למדוד את ה-S-parameters של המגבר באמצעות נתח רשת וקטורי (VNA), לטעון את התוצאות לתוך סימולטור RF, להוסיף מרכיבי מעגל נוספים שנמדדו או מודלו ולאחר מכן להריץ הדמיה כדי לחזות את ביצועי המערכת, כגון אפקטי טעינה ושבח. כיוון שה-S-parameters מבוססים על ההנחה, כי כל מרכיבי המערכת הנם ליניאריים, גישה זו אינה מתאימה לאפיון ההתנהגות הלא-ליניארית של התקנים כגון מגברים גבוהי הספק. השגיאות ניכרות במיוחד בעת תהליך מדידת ה-S-parameters של שני התקנים אשר מפגינים התנהגות לא ליניארית, הדמיית שרשרת ההתקנים והשוואת התוצאה למדידה שבוצעה בפועל בשני התקנים משורשרים.

נתח הרשת הווקטורי
הלא-ליניארי
כדי לאפיין התקנים לא ליניאריים, פותח ה-VNA של Agilent והפך לנתח רשת וקטורי (VNA) לא ליניארי מודרני.
ה-NVNA יכול לשמש למדידת המאפיינים הלא ליניאריים של מגבר גבוה הספק, המובעים כערכה של X-parametes*. בניגוד ל-X-parameters, S-parametes אלה ניתנים לשימוש על-ידי סימולטור RF לצורך הדמיה מדויקת של ביצועי מערכת המכילה מרכיבים לא ליניאריים.
ה-NVNA דומה לנתח רשת סטנדרטי, אולם הוא יכול לדמות את ההתקן תחת בדיקה (DUT) עם שני מקורות RF במקום אחד (ראה איור 1). עבור מדידות X-parameter, המקור הראשון מספק טון ראשי, אשר מיועד להניע את ה-DUT ברמות ההספק ובתדרים הרגילים שלו, בעוד שהמקור השני מספק טון חילוץ (extraction), אשר משמש למדידת ביצועי האותות הקטנים של ה-DUT. במהלך סבב מדידה אופייני, הטון הראשי מוגדר עבור מספר תדרים ורמות הספק, בעוד שטון החילוץ מוגדר עבור הטון וההרמוניות הראשיים של המבוא והמוצא של ה-DUT. גלי המבוא והמוצא של ה-DUT יימדדו בתנאים אלה וה-X-parameters יופקו מן המדידות שבוצעו.

התקנה של מגבר +48 dBm
בדרך כלל, מדידה של מגבר גבוה הספק באמצעות NVNA מצריכה הכנסת שינויים מסוימים במכשור. רמות ההספק הגבוהות עלולות להסב נזק לנתח הרשת. בנוסף, בעת בחירת התקנה מתאימה למגבר גבוה ההספק, יש לקחת בחשבון גם את הספק המוצא של המקור, הפסדי הנתיב הפנימיים, דחיסת הרסיבר ורצפת הרעש של הרסיבר. ערכת הבדיקה של ה-NVNA חייבת לכלול גישה ישירה לרסיברים הפנימיים, כדי שניתן יהיה לבצע את השינויים הנגזרים מן ההספק הגבוה.
ההתקנה הבאה (ראה איור 2) מיועדת למדוד מגבר של 1 גה”צ עם שבח של
+14 dB והספק מוצא של +48 dBm, באמצעות נתח רשת Agilent PNA-X, מדגם N5242A (אופציות 423 ו-H85). ההתקנה מצריכה הוספה של שני התקני קדם-מגבר, שני צמדים ושישה מנחתים (מוצגים באפור).

שינויי היציאה המחוברת
לצד המבוא
יציאה 1 של ה-NVNA, אשר מחוברת לצד המבוא של ה-DUT, שונתה על-ידי הוספת קדם-מגבר, צמד ושני מנחתים לערכה של בדיקת ה-RF.
הקדם-מגבר של +35 dBm נוסף כדי לספק מבוא של +34 dBm ל-DUT; שינוי זה מתבסס על ההנחה, כי שני הצמדים מתאפיינים במשולב בהפסד של -1 dB. הקדם-מגבר נוסף מאחורי צמדי הייחוס והבדיקה, כך ששגיאות הסחיפה ואי ההתאמה יוסרו לאחר תיקון השגיאות.

כלל אצבע הוא, כי העיוות שנגרם על-ידי הקדם-מגבר אמור להיות -20 dBc או פחות מכך, כדי למנוע התנהגות לא ליניארית של ה-DUT, שאותה לא יצליח ה-NVNA לתקן. הקדם-מגבר אמור להיות מסוגל לטפל במצב של מתח מעגל פתוח או של קצר חשמלי בתפוקת מוצא של +35 dBm, וזאת במקרה של ניתוק ה-DUT.
צמד הייחוס הפנימי הוחלף בצמד חיצוני בעל הספק גבוה יותר. עבור רמת הינע של +35 dBm במוצא הקדם-מגבר ואל תוך מעגל פתוח, הגל הממתין בכניסת הצמד יכול להגיע ל40 dBm+. כיוון שצמד הייחוס מתאפיין ברמת נזק של +30 dBm, יש להחליפו בצמד חיצוני, המותאם לרמה של +40 dBm. יש לשים לב שצמד הבדיקה לא הוחלף משום שרמת הנזק שלו הנה +43dBm.
בקדמת הרסיברים הותקנו שני מנחתים חיצוניים של -40 dB. מתוך הנחה כי רמת ההספק המרבית של הצמד הנה +35 dBm וכי גורם הצימוד של הצמד הנו -15 dBc, הרי שפעולה זו מגבילה את הספק המבוא של הרסיבר ל20 dBm. ככלל, יש להקפיד שסיווג המבוא של הרסיבר יישאר נמוך מ-20 dBm כדי למזער את תוצרי העיוות שנגרמים ברסיבר.

שינויי יציאת המוצא
יציאת ה-NVNA מס. 3, אשר מחוברת לצד המוצא של ה-DUT, שונתה על-ידי הוספת מגבר, צמד וארבעה מנחתים לערכת הבדיקה של ה-RF.
קדם-מגבר של +33dB נוסף כדי לספק רמת טון חילוץ של +18dBm למוצא ה-DUT (לאחר טיפול בהפסדי המנחתים של -4dB,
-10 dB ו-1 dB באמצעות הצמדים). רמת טון זו מצויה -30 dB מתחת לתפוקת המוצא המרבית של ה-DUT, שהנה
+48 dBm. ככלל, אנו מעוניינים לשמר את טון החילוץ ברמה של -20 dB עד
-40 dB מתחת לרמת הטון הראשי; טון חילוץ ברמה גבוהה יותר יגרום לרעש פחות. הקדם-מגבר נוסף מאחורי צמדי הייחוס והבדיקה, כדי לאפשר את הסרת שגיאות הסחיפה ואי ההתאמה שלו  לאחר תיקון השגיאות. מעניין לציין, כי תוצרי עיוות שייווצרו בקדם-המגבר יהיו תמיד קטנים לעומת רמת הטון הראשי. לפיכך, כל עיוות שייווצר על-ידי הקדם-מגבר יימדד ויתוקן ב-X-parameters. על הקדם-מגבר להיות בעל סיווג שיאפשר לו להתמודד עם תנאי מתח מעגל פתוח או קצר ברמה של +33 dBm, כיוון שה-DUT עשוי להניע אות של +33 dBm לתוך המוצא שלו, אשר יכול להיראות כמעגל פתוח או קצר.
צמד הייחוס הפנימי הוחלף בצמד חיצוני גבוה הספק. עבור רמת הינע במוצא של +33 dBm מתוך הקדם-מגבר עד לרמת הינע מוצא מרבית ב-DUT, הגל הממתין בכניסת הצמד יכול להגיע ל- +36dBm. כיוון שצמד הייחוס הפנימי מתאפיין ברמת נזק של +30dBm, חיוני להחליפו בצמד חיצוני שסיווגו +39 dBm. יש לציין כי צמד הבדיקה לא הוחלף משום שרמת הנזק שלו הנה +43 dBm.
בקדמת הרסיברים הותקנו מנחתים של -40 dB ו- -46 dB, כדי להגביל את רמות ההספק של הרסיבר לפחות מ-20 dBm וכך למזער את תוצרי העיוות ברסיבר, בדומה לשינויים שהוכנסו ביציאה 1 של ה-NVNA.
מנחתי ה- -4dB וה- 46dB נוספו לנתיב ה-RF הראשי כדי להגביל את האירוע בעל רמת ההספק המרבית במוצא הקדם-מגבר ל+33 dBm. אירוע כזה מתרחש ביציאת DUT של +48 dBm, בהנחה כי הצמדים מתאפיינים בהפסד משולב של -1 dB. בתנאים כאלה, הקדם-מגבר עשוי לחוות תנאים של מתח מעגל פתוח או של קצר חשמלי, כיוון שרמת המוצא שלו הנה
+33 dBm. מנחת של -10 dB ממוקם בין צמד הבדיקה לבין מוצא ה-DUT כדי להגביל את ההספק בצמד הבדיקה
ל+38 dBn, רמה שנמצאת במרחק בטוח מרמת הנזק, המסווגת כ43 dBm+. הוספת המנחת של -10 dB מגינה על הצמדים ומשפרת את התאמת העומסים של יציאת הבדיקה, אולם היא גם מפחיתה את הכיווניות הגולמית של יציאת הבדיקה בשיעור של -20 dB, והדבר גורם ליציבות כיול מופחתת. מוטב למזער מנחת זה כדי לשפר את היציבות, אולם ככלל, הנחתה של עד -10 dB היא בגדר המותר.

אזהרות
מעצם מהותן, התקנות מדידה גבוהות הספק מצריכות שיקול מוקפד ביותר של פרטי מערכת רבים. טעויות שנעשות בהקשר עם התקנת הבדיקה עלולות לגרום לשגיאות מדידה, או במקרה הגרוע ביותר – להסב נזק ל-DUT או לציוד הבדיקה. להלן מספר שיקולים חשובים:
•עליך לדעת מהן רמות ה-RF וה-DC המרביות של רכיבי המערכת ולשמור עליהן. היה מודע לכך, כי יציאות NVNA מסוימות אינן יכולות לעמוד בכל מתחי ה-DC.
•הספק ה-RF המוחל על יציאות ה-PNA-X צריך להימצא -3 dB לפחות מתחת לרמות הנזק של ה-RF המאפיינות יציאות אלה ובאופן אידיאלי אמורות להימצא -6 dB מתחת להן.
•בעת חישוב רמת ההספק המרבית בנקודה נתונה של התקנת הבדיקה, הקפד להשתמש בסכום ה-worst-case של המתחים. לדוגמה, כאשר שני אותות של 0 dBm משתלבים יחדיו באותו תדר, רמת האות המרבית תהיה שווה ל-worst case של +6 dBm.
•ה-DUT והתקני הקדם-מגבר עשויים להתאפיין בדרישות ספציפיות של התאמת עומסים במבוא ובמוצא, אשר בהן יש לעמוד לפני ההפעלה, על מנת למנוע תנודות או נזק. היזהר מתנאים של מתח מעגל פתוח.
•ה-DUT והתקני הקדם-מגבר עשויים להיות רגישים לרצפי הדלקה. הקפד ללמוד את דרישות הקדם-מגבר וה-DUT לפני הדלקת המערכת.
•הקפד להשתמש בכבלי RF קצרים וכן השתמש במידת האפשר בכבלים מוקשחים למחצה כדי להבטיח יציבות מדידה.
•הגדרה מראש של ה-NVNA עלולה לגרום לכוונון ההספק לרמה שעלולה להסב נזק ל-NVNA או ל-DUT. בדרך כלל מומלץ לאפשר את מצב “הגדרת המשתמש” (user preset) אשר מאפשר למשתמש להגדיר מראש את רמת ההספק.

סיכום
רוב המגברים גבוהי ההספק מיועדים לפעול בתחום הלא-ליניארי. נתח רשת וקטורי לא ליניארי (NVNA) הוא הכלי המתאים ביותר לאיפיון ולמידול התקן שכזה. על-ידי שינוי התקנת בדיקת ה-RF של ה-NVNA, ניתן לבצע מדידה של מגברים הפועלים ברמות הספק של עד 1 kW. שינויים אלה כוללים הוספת מנחתים חיצוניים, צמדים והתקני קדם-מגבר בנקודות אסטרטגיות של התקנת הבדיקה. התקנות ומדידות גבוהות הספק כגדון אלה מצריכות משנה זהירות והקפדה על פרטים מצד מהנדס הבדיקה, כדי למנוע הסבת נזק להתקן תחת בדיקה ולמערכת הבדיקה עצמה.

סיקאי טאן,  Agilent Technologies

ה- European Photovoltaic Industry Association (EPIA) חזה כי עד לשנת 2020 יגיע החשמל המיוצר דרך טכנולוגיה פוטו-וולטאית (PV) לשיעור של יותר מ-10%. המחקר המתמשך של טכנולוגיות ה-PV ופריצות הדרך הטכנולוגיות בתחום המערכות הסולאריות הופכים את התחזית הזו לריאלית יותר ויותר. הייצור המוגבר של תאים סולאריים ושל לוחות סולאריים גרם גם לגידול במספר פתרונות הבדיקה המוצעים על-ידי יצרני מכשור שונים ועל-ידי ספקי פתרונות turnkey. לפיכך, לפני הבחירה בפתרון כלשהו חשוב עד מאוד להבין את דרישות המפתח של המדידה.
פתרונות ה-turnkey מספקים כיום מערכות של בדיקות מותאמות אישית למטרות ייצור ואימות. פתרונות אלה בנויים ומתוכנתים באופן שמבטיח עמידה בדרישות הדירות הבדיקה. לעומת זאת, במעבדות מחקר והערכה, דווקא המכשירים המוכנים לשימוש ( off-the-shelf) מספקים לעתים קרובות גמישות ורב-תכליתיות מוגברת עבור מדידות stack-and-tests. הרחבת פמרטרי הבדיקה מתאפשרת באמצעות מכשירים מוכנים לשימוש. עם המכשירים המוכנים לשימוש שמוטמעים בצורה נרחבת נמנים עומסי DC אלקטרוניים, יחידות מדידת מקור (ידועות גם כספקי כוח four quadrant), נתחים פרמטריים, מדי LCR ויחידות לכידת נתונים.

פרמטרים מרכזיים במדידות I-V
חלק ניכר של המדידות החשמליות המבוצעות על תאים סולאריים כרוך במדידת הקיבוליות או הזרם כפונקציה של המתח המוחל. בדיקות C-V מאפשרות למדוד את קיבוליות התא על-ידי החלת מתחי AC או תדרים. לעומתן, בדיקות I-V הנן פשוטות יותר ומוטמעות בהיקף נרחב יותר במסגרת תהליכי הייצור. מספר פרמטרים מרכזיים נגזרים בקלות ממדידות עקומת ה-I-V:
•קצר חשמלי, ISC –  זרימת הזרם מן התא במצב של היעדר עומסים
•מתח מעגל פתוח, VOS  – מתח התא ללא זרימת זם
•הספק מוצא מרבי, PMAX – הספק המוצא המרבי המופק על-ידי התא
•מתח ב- VMAX ,PMAX – מתח התא ב- PMAX
•זרם ב- IMAX ,PMAX – זרם התא ב- PMAX
•Fill Factor, FF – מחושב על-ידי השוואת הספק המוצא המרבי, PMAX להספק התיאורטי PT
•נצילות המרה, η – יחס הספק המוצא החשמלי Pout להספק המבוא הסולארי, Pin
•מאפייני דיודת התא
•התנגדות בטור של התא
•התנגדות זליגה של התא

סימולטורים סולאריים ואתגרי המדידה
בעת ביצוע מדידה של עקומת I-V בתאים סולאריים, הסביבה מהווה גורם קריטי שכן מאפיין ה-I-V של התא תלוי בשני מרכיבים עיקריים: הטמפרטורה של התא הסולארי וכן עוצמת האור ומצבו. עוצמת האור ומצבו ניתנים להדמייה דרך סימולטורים סולאריים, אשר זמינים כמקור אור סטנדרטי במצב יציב
(steady-state), או כמקור אור מסוג פולסים.
באופן כללי, כאשר מדובר ברצפת הייצור, לסימולטורים סולאריים מסוג פולסים עדיפות על פני סימולטורים סולאריים במצב יציב. סימולטורים סולאריים מסוג פולסים מספקים תפוקה גבוהה מבחינת הייצור, משום שמדידת עקומת ה-I-V ניתנת לביצוע בתוך גל אור או הבזק. עם זאת, מסגרת הזמן הקצרה של המדידה יוצרת אתגרים רבים עבור מערכות הבדיקה, שכן הן נדרשות להשלים את המדידה מבלי להתפשר על דיוק הבדיקה. בנוסף, הסימולטורים הסולאריים מסוג פולסים מתאפיינים במחירים נמוכים יותר ולרוב הנם זמינים בעלות נמוכה בהרבה מן העלויות המאפיינות את הסימולטורים הסולאריים מסוג steady-state.
במקומות כגון מעבדות תכנון ואימות, רצוי להשתמש בסימולטורים מסוג steady-state. סימולטורים אלה מספקים מקור אור רציף, אשר מאפשר ביצוע מדידות ללא הפרעה לאורך פרקי זמן ממושכים. לרוב, מערכות הבדיקה שנדרשות עבור סימולטורים מסוג זה מחמירות פחות מאלה הנדרשות עבור מערכות בדיקה המשתמשות בסימולטורים סולאריים מסוג פולסים.

מדידת I-V תחת סימולטור סולארי מסוג Steady-State
בדרך כלל, הסימולטורים הסולאריים מסוג Steady-State נמצאים בשימוש ברצפת הייצור, לצורך ביצוע בדיקות מדויקות. ככל הידוע לנו, מאפיין ה-I-V של התא הסולארי מושפע מטמפרטורת פני השטח של התא. לפיכך, בעת ביצוע בדיקות אילומינציה תחת סימולטור סולארי מסוג זה, מדידה וניטור של הטמפרטורה הנם חיוניים, שכן פני השטח של התא הסולארי הנבדק נוטים להתחמם במהירות רבה בגלל ההארה המתמדת של מקור האור.
דבר זה מדגיש את חשיבותה של מדידת הטמפרטורה בעת ביצוע בדיקות המיועדות להבין את מאפיין ה-I-V של הלוח הסולארי. שיטות רבות פותחו לצורך מדידת טמפרטורה. כמה מן החיישנים שבהם נעשה שימוש הם צמד תרמי, נגדים תלויי טמפרטורה (RTD), טרמיסטור, אינפרה-אדום, נוזל או גז לצורך זיהוי הטמפרטורה על-ידי חישת השינויים במאפיין הפיזיים של ההתקן תחת בדיקה (DUT). מבין כל חיישני הטמפרטורה שנמצאים בשימוש כיום, הנפוץ ביותר בתחום הייצור הוא הצמד התרמי. לדוגמה, לעתים קרובות נעשה שימוש במערך מגוון של צמדים תרמיים לצורך מדידת הטמפרטורה של לוחות סולאריים בנקודות שונות. ניתן להשתמש בהתקן לכידת נתונים (DAQ) ובהתקן עם כניסת צמד תרמי לצורך מדידת הטמפרטורה של הלוח הסולארי. היתרון של התקנה כזו נעוץ בעובדה, כי ה-DAQ מספק קצב דגימה גבוה. קצב זה מוביל בתורו למספר מדידות גדול יותר בפרק זמן ספציפי. המשמעות היא, כי מתבצע ניטור קפדני של הטמפרטורה לאורך מחזור האפיון וההערכה – ולכך נודעת חשיבות רבה בעת ביצוע מדידות תחת סימולטורים סולאריים מסוג steady-state. בנוסף לשיעור הדגימה הגבוה, השימוש בהתקני DAQ, שמבצעים מדידות סימולטאניות מקבילות לרוחב כל ערוצי המבוא הזמינים, מבטיח לכידה בו-זמנית של הטמפרטורות מתוך כל הצמדים התרמיים.
מעבר למדידת הטמפרטורה של הלוח הסולארי במהלך הייצור, נדרש גם ניטור איכותו של מקור האור. אחת הגישות להשגת יעד זה גורסת מיקום של מספר תאי ייחוס בעלי ביצועים ידועים סביב הלוח הנבדק. מאפייני תאי הייחוס נבדקים כל העת, כדי לאמוד שינויים או ירידה באיכות של מקור האור אשר עלולים להשפיע על אמינות הבדיקה. הזרם והמתח המיוצרים על-ידי תאי הייחוס מהווים 2 פרמטרים בסיסיים שאותם יש לנטר. כדי לפשט את מערכת הבדיקה, נעשה לעתים קרובות שימוש ביחידת מדידת מקור (SMU) 4 קוואדרנטים. ה-SMU 4 קוואדרנטים ידוע ביכולת ה-sinking שלו ומסוגל למדוד במקביל זרם ומתח. הדבר מונע את השימוש במולטימטר דיגיטלי (DMM), בעומס חיצוני ובמתגים.
בדרך כלל, תאי הייחוס קטנים יותר בגודלם וזרם המוצא שלהם נמוך בכמה מאות מיליאמפר. יחידת SMU בעלת סיווג הספק נמוך ומרובת ערוצים מתאימה ביותר ליישום זה.

מדידת I-V תחת סימולטור סולארי מסוג פולסים
הסימולטורים הסולאריים מסוג פולסים, לעומת זאת, מייצרים אורות בפולסים או הבזקים. ההבזק יכול להיות מהיר ולהימשך כמה עשיריות של אלפית שנייה. המשמעות היא, כי על מערכת הבדיקה להגיב מיד עם הפעלת ההבזק ולהשלים את בדיקות ההארה בטרם יכבה. ניתן אמנם למצוא מערכות turnkey אשר נבנו ותוכנתו כדי לתת מענה למפרט זה, אולם אפשר גם להשתמש במספר מכשירים סטנדרטיים ומוכנים לשימוש כדי לתת מענה לדרישה זו. לדוגמה, לעתים קרובות נעשה שימוש בעומס אלקטרוני DC כמכשיר חלופי, אשר מונע את השימוש ב-DMM ובמרבב (MUX). לא זו בלבד שהשימוש בעומס האלקטרוני DC מפחית את מורכבותה של מערכת הבדיקה הסולארית מבוססת הפולסים, אלא שהוא אף מבטיח אמינות גבוהה יותר של מערכת הבדיקה, על-ידי מניעת הצורך בחיווט מסובך.
במקרים מסוימים, ניתן לתכנת עומסים אלקטרוניים DC מודולאריים, כך שיגיעו לשיעור של 50,000 נקודות מדידה בשנייה. לעתים מזומנות ניתן למטב את מספק דגימות המדידה כדי להשיג איזון בין מהירות לבין דיוק. עומסים אלקטרוניים DC מודולאריים זמינים גם בסיווגי מתח שונים, אשר מתאימים למגוון סיווגי המתח של התאים הסולאריים. כמה מעומסים אלה ניתנים לתפעול במקביל, על מנת להגביר את יכולת ה-sinking של זרם מלוחות סולאריים גדולים יותר.

סיכום
הבחירה בפתרון שישמש למדידת עקומת ה-I-V של התא הסולארי חשובה עד מאוד להבטחת הדיוק במדידת ביצועיו ונצילותו של התא. השימוש במכשירים בדידים ליצירת מערכת בדיקה של תאים סולאריים לא רק יעלה פחות מרכישתו של פתרון turnkey, אלא שהוא אף יספק לך את הגמישות להרחבת פרמטרי הבדיקה עם השינוי העתידי בדרישות הבדיקה.

התקנת בדיקה של עקומת I-V המשתמשת במכשור סטנדרטי מוכן לשימוש של Agilent Technologies