Les uni­tés de source et de me­sure sim­pli­fient les mesures com­plexes

Mesures - - Front Page - Lee Mor­gan Res­pon­sable du dé­ve­lop­pe­ment des mar­chés chez Tek­tro­nix UK Ar­ticle adap­té par Cé­dric Lar­dière

Les in­gé­nieurs de concep­tion re­cherchent des so­lu­tions de test tou­jours plus pré­cises et leur as­su­rant une pro­duc­ti­vi­té éle­vée. Les uni­tés de source et de me­sure (SMU), qui com­binent les fonc­tion­na­li­tés de plu­sieurs ins­tru­ments dans un même boî­tier, peuvent sim­pli­fier les pro­cé­dures de test, éco­no­mi­ser du temps et de l’ar­gent, ain­si que four­nir des ré­sul­tats plus pré­cis et re­pro­duc­tibles. Le fa­bri­cant Tek­tro­nix nous ex­plique com­ment, en pre­nant deux exemples : le test d’un conver­tis­seur DC-DC et la ca­rac­té­ri­sa­tion d’un FET.

Dans un monde de la concep­tion élec­tro­nique au­jourd’hui en per­pé­tuelle ac­cé­lé­ra­tion, la com­plexi­té re­pré­sente le mal à évi­ter à tout prix, tan­dis que la sim­pli­ci­té est ce qui est juste et bon. Si ce­la n’est tou­te­fois pas tou­jours blanc ou noir, la sim­pli­ci­té reste le meilleur al­lié de l’in­gé­nieur lorsqu’il s’agit de test et de me­sure, car elle per­met d’éco­no­mi­ser du temps et des ef­forts, et four­nit des ré­sul­tats de me­sure plus co­hé­rents et plus pré­cis. Les uni­tés de source et de me­sure ( Source Mea­su­re­ment Unit ou SMU) sont l’un des ins­tru­ments qui op­ti­mise la sim­pli­ci­té pour de nom­breuses mesures cou­rantes. Elles com­binent en ef­fet une ali­men­ta­tion pro­gram­mable, un mul­ti­mètre nu­mé­rique, une source de cou­rant et une charge élec­tro­nique dans un seul boî­tier. Il en ré­sulte un ins­tru­ment de test plus po­ly­va­lent que chaque ins­tru­ment pris in­di­vi­duel­le­ment, qui sim­pli­fie les confi­gu­ra­tions de test et ré­duit les étapes de me­sure et le risque d’er­reur. Pour ex­pli­quer com­ment une SMU sim­pli­fie les mesures, il peut être op­por­tun d’illus­trer ce­la par deux exemples. In­té­res­sons-nous d’abord à la ma­nière de sim­pli­fier la ca­rac­té­ri­sa­tion d’un conver­tis­seur DC-DC avec une SMU, puis aux tech­niques qui per­mettent de sim­pli­fier le test des tran­sis- tors à ef­fet de champ ( Field Ef­fect Tran­sis­tors ou FET) avec une SMU. Comme tout dis­po­si­tif, les conver­tis­seurs DC-DC doivent être ca­rac­té­ri­sés par les fa­bri­cants et par les in­gé­nieurs qui les éva­luent pour une in­té­gra­tion dans leurs concep­tions. Compte te­nu de la pres­sion ac­crue qui leur est im­po­sée pour dé­ve­lop­per des pro­duits moins gour­mands en éner­gie, les in­gé­nieurs cherchent des moyens d’aug­men­ter l’ef­fi­ca­ci­té de conver­sion de ten­sion. De nom­breuses mesures sont né­ces­saires pour ca­rac­té­ri­ser les pa­ra­mètres élec­triques d’un conver­tis­seur DC-DC. Les tests com­prennent la ré­gu­la­tion de ligne, la ré­gu­la­tion de charge, la pré­ci­sion des ten­sions d’en­trée et de sor­tie, le cou­rant de re­pos, l’ef­fi­ca­ci­té, le temps de mise sous ten­sion, l’on­du­la­tion et la ré­ponse tran­si­toire.

Ap­pli­ca­tion à un conver­tis­seur DC-DC

Gé­né­ra­le­ment, la ca­rac­té­ri­sa­tion élec­trique des conver­tis­seurs DC-DC im­plique de re­cueillir et de me­su­rer la ten­sion (V ) et le cou­rant (I ) d’en­trée,

IN IN la ten­sion de sor­tie (V ) et le cou­rant

OUT de charge (I ). À par­tir de ces me

OUT sur­es, l’ef­fi­ca­ci­té et d’autres pa­ra­mètres peuvent être dé­ter­mi­nés. L’ef­fi­ca­ci­té est im­por­tante pour la plu­part des concep­tions, en par­ti­cu­lier pour les ap­pa­reils fonc­tion­nant sur bat­te­ries, car elle af-

fecte di­rec­te­ment leur temps de fonc­tion­ne­ment. Tra­di­tion­nel­le­ment, la ca­rac­té­ri­sa­tion DC des conver­tis­seurs DC-DC né­ces­si­tait l’uti­li­sa­tion de deux mul­ti­mètres nu­mé­riques, d’une ali­men­ta­tion pro­gram­mable et d’une charge élec­tro­nique. Cette ca­rac­té­ri­sa­tion peut ce­pen­dant être sim­pli­fiée en rem­pla­çant tous ces ins­tru­ments par une seule SMU do­tée de deux voies. Les uni­tés de source et de me­sure sont bien adap­tées pour tes­ter di­vers pa­ra­mètres I-V des conver­tis­seurs DC-DC, car elles peuvent four­nir et me­su­rer à la fois le cou­rant et la ten­sion, et fonc­tion­ner comme une charge élec­tro­nique. No­tez que pour com­plé­ter l’en­semble de la gamme de tests réa­li­sés sur un conver­tis­seur DCDC, un os­cil­lo­scope nu­mé­rique est re­quis avec la SMU pour four­nir la ten­sion d’en­trée et le cou­rant de charge. L’uti­li­sa­tion d’un seul ins­tru­ment, au lieu de plu­sieurs, sim­pli­fie la mise en oeuvre du test, le lo­gi­ciel et la syn­chro­ni­sa­tion, tout en ré­dui­sant l’es­pace oc­cu­pé par le rack ou le banc. Comme le montre la fi­gure 1, l’uti­li­sa­tion d’une voie de la SMU (SMU CH1) sur l’en­trée du conver­tis­seur DC-DC et d’une autre voie (SMU CH2) sur sa sor­tie rem­place plu­sieurs ins­tru­ments. La ca­rac­té­ri­sa­tion du conver­tis­seur DC-DC im­plique de tes­ter de nom­breux pa­ra­mètres élec­triques. Nous al­lons nous concen­trer sur la ré­gu­la­tion de la charge et la ré­gu­la­tion de la ligne, car ils font par­tie des tests les plus cou­ram­ment ef­fec­tués. La ré­gu­la­tion de charge fait ré­fé­rence à la ca­pa­ci­té d’un conver­tis­seur DC-DC à main­te­nir la ten­sion de sor­tie spé­ci­fiée lorsque le cou­rant de charge (I ) va­rie sous une ten­sion d’en­trée

LOAD V constante. Gé­né­ra­le­ment, le test de

IN la ré­gu­la­tion de charge est fait sur toute la gamme des cou­rants de charge. La fi­gure 1 montre une confi­gu­ra­tion de test de la ré­gu­la­tion de charge clas­sique, qui uti­lise les deux voies d’une SMU. La pre­mière (SMU CH1) four­nit la ten­sion d’en­trée et sur­veille le cou­rant d’en­trée, et la se­conde (SMU CH2) est confi­gu­rée comme une charge élec­tro­nique en la dé­fi­nis­sant pour col­lec­ter un cou­rant né­ga­tif. Dans ce mode, la SMU fonc­tion­ne­ra dans le quatrième qua­drant et col­lec­te­ra le cou­rant.

Me­su­rer les ré­gu­la­tions de charge et de ligne

En plus de per­mettre la confi­gu­ra­tion des voies de la SMU, l’uti­li­sa­tion d’une connexion 4 fils dis­tante éli­mine la ré­sis­tance du fil qui af­fec­te­rait au­tre­ment la pré­ci­sion de me­sure.avec la mé­thode 4 fils, la source émet en uti­li­sant une paire de fils de test (entre les sor­ties HI et LO), et la chute de ten­sion est me­su­rée sur un deuxième en­semble de conduc­teurs (Sense HI et Sense LO). Dans la pra­tique, connec­ter ces dif­fé­rents fils aus­si près que pos­sible du dis­po­si­tif sous test (DUT) mi­ni­mi­se­ra la ré­sis­tance du fil en l’ajou­tant à la me­sure. La fi­gure 2 montre les ré­sul­tats d’un test de ré­gu­la­tion de charge, dans le­quel le DUT est confi­gu­ré pour four­nir une ten­sion constante de 3,6V. La voie SMU CH1 a été confi­gu­rée pour po­la­ri­ser une ten­sion de 5V (va­leur no­mi­nale) à l’en­trée de ten­sion, et la voie SMU CH2 pour scru­ter un cou­rant de charge de 0 à 1A et me­su­rer la ten­sion de sor­tie ré­sul­tante. Le pour­cen­tage de la ré­gu­la­tion de charge peut être fa­ci­le­ment cal­cu­lé à par­tir des don­nées de ten­sion­cou­rant (I-V). La ré­gu­la­tion de ligne, quant à elle, dé­signe la ca­pa­ci­té d’un conver­tis­seur DC-DC à main­te­nir la ten­sion de sor­tie spé­ci­fiée en ré­ac­tion aux chan­ge­ments de ten­sion d’en­trée. La ten­sion de sor­tie doit res­ter constante, de l’ordre de quelques mil­li­volts, pen­dant que la ten-

sion d’en­trée va­rie dans la plage d’en­trée de ten­sion spé­ci­fiée. Pour le test de ré­gu­la­tion de ligne, les deux voies de la SMU sont connec­tées au conver­tis­seur DC-DC de la même ma­nière qu’elles l’étaient pour le test de ré­gu­la­tion de charge. Ce­pen­dant, la ten­sion d’en­trée est scru­tée sur la plage de ten­sion d’en­trée spé­ci­fiée, et la ten­sion de sor­tie est me­su­rée ( voir fi­gure 3). Le cou­rant de charge est gé­né­ra­le­ment ré­glé sur 0A. Le pour­cen­tage de ré­gu­la­tion de ligne peut en­suite être cal­cu­lé à par­tir des don­nées I-V.

Ap­pli­ca­tion à un tran­sis­tor FET

Après avoir ex­pli­qué ce qu’une uni­té de source et de me­sure peut ap­por­ter pour la ca­rac­té­ri­sa­tion d’un conver­tis­seur DC-DC, voyons ce qu’elle peut ap­por­ter aux tran­sis­tors à ef­fet de champ (FET). La ca­rac­té­ri­sa­tion des pa­ra­mètres I-V d’un FET est es­sen­tielle pour s’as­su­rer qu’il ré­pond aux spé­ci­fi­ca­tions et fonc­tionne cor­rec­te­ment dans les ap­pli­ca­tions pré­vues. Ces tests I-V peuvent in­clure des pa­ra­mètres tels qu’une fuite de grille, une ten­sion de cla­quage, une ten­sion de seuil, des ca­rac­té­ris­tiques de trans­fert, un cou­rant de drain, une ré­sis­tance à l’état pas­sant, etc. Le test d’un FET im­plique sou­vent la pro­gram­ma­tion et la syn­chro­ni­sa­tion de plu­sieurs ins­tru­ments de me­sure, y com­pris un am­pè­re­mètre sen­sible et plu­sieurs sources de ten­sion, ce qui peut s’avé­rer long et fas­ti­dieux à faire. Bien qu’un sys­tème de ca­rac­té­ri­sa­tion de se­mi-conduc­teurs clé en main puisse ré­soudre le pro­blème d’in­té­gra­tion, les sys­tèmes de ce type coûtent gé­né­rale- ment des di­zaines de mil­liers d’eu­ros. Il existe une troi­sième ap­proche, qui im­plique l’uti­li­sa­tion de SMU. Leur nombre re­quis dans le test dé­pend gé­né­ra­le­ment du nombre de FET qui doivent être po­la­ri­sés et/ou me­su­rés. Un tran­sis­tor à ef­fet de champ est un dis­po­si­tif de sup­port de charge ma­jo­ri­taire, dans le­quel la ca­pa­ci­té de trans­port de cou­rant est mo­di­fiée par l’ap­pli­ca­tion d’un champ élec­trique. Il dis­pose de trois bornes prin­ci­pales : la porte, le drain et la source. Une ten­sion ap­pli­quée à la borne de porte (V ) contrôle

G le cou­rant qui cir­cule de la source (I )

S aux bornes de drain (I ). Il existe de

D nom­breux types de FET, no­tam­ment les Mos­fet (FET à struc­ture mé­tal-oxy­de­se­mi­con­duc­teur ou à grille iso­lée), les Mes­fet (FET à grille se­mi-conduc­teur­mé­tal), les Jfet (FET à jonc­tion), Ofet (FET or­ga­nique), Gnr­fet (FET à na­no­ru­bans de gra­phène) et Cnt­fet (FET à na­no­tubes de car­bone). Tous ces tran­sis­tors dif­fèrent par la concep­tion de leurs ca­naux. Les ca­rac­té­ris­tiques I-V d’un FET peuvent être uti­li­sées pour ex­traire de nom­breux pa­ra­mètres et, ain­si, étu­dier les ef­fets des tech­niques de fa­bri­ca­tion et des va­ria­tions de pro­ces­sus, ain­si que dé­ter­mi­ner la qua­li­té des contacts. La fi­gure 4 illustre la confi­gu­ra­tion de test DC I-V d’un Mos­fet uti­li­sant une SMU à deux voies (SMU CH1 et SMU CH2). Ici, la borne Force HI de la voie SMU CH1 est connec­tée à la porte du Mos­fet, et la borne Force HI de la voie SMU CH2 est connec­tée au drain. La source du Mos­fet est connec­tée aux bornes Force LO des deux voies SMU, ou à une troi­sième voie SMU s’il est né­ces­saire de four­nir et de me­su­rer à par­tir des trois bornes du Mos­fet. Une fois l’ap­pa­reil confi­gu­ré et connec­té à l’uni­té de source et de me­sure, le lo­gi­ciel de contrôle, sou­vent un ou­til lo­gi­ciel in­té­gré, doit être confi­gu­ré pour au­to­ma­ti­ser les mesures. En uti­li­sant une in­ter­face Ether­net, il est pos­sible de connec­ter l’ins­tru­ment à n’im­porte quel or­di­na­teur et d’ou­vrir la page web de l’ins­tru­ment en sai­sis­sant l’adresse IP de la SMU dans la ligne D’URL de n’im­porte quel na­vi­ga­teur web. À par­tir de cette page, l’uti­li­sa­teur peut lan­cer le lo­gi­ciel in­té­gré et confi­gu­rer le ou les tests sou­hai­tés, qui peuvent sou­vent être sau­ve­gar­dés et rap­pe­lés pour une uti­li­sa­tion ul­té­rieure.

Me­su­rer aus­si les drains de courbe

Un test I-V cou­ram­ment réa­li­sé sur un Mos­fet est la fa­mille de drains des courbes (V -I ). Avec ce test, la voie

DS D SMU CH1 aug­mente la ten­sion de porte (V ), tan­dis que la voie SMU CH2 sur

G veille la ten­sion de drain (V ) et me­sure

D le cou­rant de drain (I ) ré­sul­tant. Une

D fois que les deux voies de la SMU sont confi­gu­rées pour réa­li­ser le test, les don­nées peuvent être gé­né­rées et tra­cées sur l’écran en temps réel. La cap­ture ci-des­sous montre des courbes de drain d’un Mos­fet ob­te­nues en uti­li­sant une SMU à deux voies et op­ti­mi­sée pour les

mesures de faible cou­rant. Une fois ex­por­tées dans un fi­chier au for­mat .csv, ces don­nées I-V peuvent être im­por­tées dans une feuille de cal­cul pour une ana­lyse plus pous­sée, ou af­fi­chées dans une vue ta­bu­laire. Un autre test I-V d’un FET cou­ram­ment ef­fec­tué, et pris en charge par la confi­gu­ra­tion que l’on vient de dé­crire, est la dé­ter­mi­na­tion du cou­rant de drain (I ) en fonc­tion de la ten­sion de

D porte (V ). Pour ce­la, la ten­sion de porte

G est scru­tée, et le cou­rant de drain ré­sul­tant est me­su­ré à ten­sion de drain constante. La fi­gure 5 montre les ré­sul­tats d’une courbe I -V à ten­sion de

D G drain constante. Dans ce cas, les don­nées gé­né­rées ont été ex­por­tées vers un fi­chier et re­pré­sen­tées sur un gra­phique se­mi-lo­ga­rith­mique. Ce test peut être fa­ci­le­ment re­con­fi­gu­ré pour aug­men­ter la ten­sion de drain lorsque la ten­sion de porte est scru­tée. Les don­nées I -V

D G montrent les nom­breuses dé­cades de cou­rant de drain me­su­rées par la SMU, de 1xe- 12 à 1xe- 2 A. Comme nous ve­nons de le voir avec ces deux exemples, les uni­tés de source et de me­sure consti­tuent une al­ter­na­tive plus simple et plus éco­no­mique aux confi­gu­ra­tions de test tra­di­tion­nelles (ca­rac­té­ri­sa­tion d’un FET), ou peuvent sim­pli­fier les pro­cé­dures de test, en éco­no­mi­sant du temps et en pro­dui­sant des ré­sul­tats plus pré­cis et re­pro­duc­tibles (ca­rac­té­ri­sa­tion d’un conver­tis­seur DC/DC). Les SMU per­mettent ain­si aux in­gé­nieurs de concep­tion de s’af­fran­chir des tests com­plexes, qui sont l’en­ne­mi de l’ef­fi­ca­ci­té et de la pro­duc­ti­vi­té.

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