Un sourcemètre SMU : Qu’est ce que c’est ?
Un sourcemètre est un instrument de haute précision et résolution capable de générer une tension et/ou un courant. Un sourcemètre est généralement composé de 1 ou 2 voies. si ces voies sont aussi capables de mesurer en même temps qu'elles génèrent. sur un principe de fonctionnement à quatre quadrants. alors le sourcemètre sera appelé sourcemètre SMU (pour Unité de Source et Mesure (Source & Measure Unit en anglais)).
En conclusion. l'on peut considérer qu'un sourcemètre qui génère et mesure sur 1 voie comporte 1 SMU. 1 sourcemètre 2 voies comporte 2 SMU.
Les niveaux de précision et résolution en génération et mesure peuvent atteindre le nanovolt. et la centaine voir la dizaine de femtoampère (jusque l'attoampère pour les modèles les plus avancés). Les sorties sont généralement de type 4 fils. utilisables bien entendu également en 2 fils. Les possibilités de ce type d'instruments sont donc grandes et permettent une intégration de ces appareils dans beaucoup d'applications. Par exemple. les sourcemètres SMU possédant un mode balayage (en courant ou en tension). il est ainsi possible d'établir des caractérisations de composants. certains modèles permettant de tracer les caractéristiques I-V directement sur l'écran de l'appareil tandis que d'autres modèles nécessiteront un ordinateur.
En conséquence. les sourcemètres SMU sont très largement adoptés dans l’industrie et représentent un élément commun à de nombreux systèmes de test automatisé.
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Sourcemètre SMU 1 voie avec courbe de caractérisation I-V à l'écran (sortie en face avant et face arrière) |
Sourcemètre SMU 2 voies (sorties en face arrière) |
Les différents critères de choix
La précision et la sensibilité
L'une des caractéristiques les plus importantes qui distingue un sourcemètre SMU d’une alimentation standard est sa précision. La précision se définit par la répétitivité ou la reproductibilité. En considérant la précision de l’instrumentation. gardez en tête deux caractéristiques essentielles liées: la sensibilité et la précision.
La précision
La précision est l’incertitude maximale d’une source ou d’une mesure donnée. La précision absolue est référencée comme une “vraie” lecture représentée par un standard. Les SMUs ont des précisions de source et de mesure pouvant atteindre 0.015%. voir 0.012%.
La sensibilité
La sensibilité est définie comme le changement le moins marqué qui peut se mesurer (ou être généré) par un instrument. En d’autres termes. la sensibilité est la plus petite incrémentation qui peut s’établir sur la sortie d’un matériel ou être détectée sur l’entrée d’un matériel. Les SMU obtiennent une sensibilité supérieure à celle des alimentations standards en offrant plusieurs gammes sur lesquelles elles peuvent fixer et lire la tension et le courant. Les meilleurs modèles de sourcemètres SMU atteignent une sensibilité de l'ordre du femto voir de l'attoampère.
Le nombre de sorties
Un appareil possédant plusieurs sorties est utile afin de pouvoir générer différentes valeurs de tension. de courant ou de résistance en même temps. Dans le cadre des sourcemètres SMU. 1 modèle 2 voies permettra par exemple de caractériser des composants nécessitant 2 sources de tension. cas typique du transistor entre autres. Il est également parfaitement possible sur certains modèles de « coupler » 2 appareils ensemble afin d'obtenir un seul système à 2 voies.
Bien que présents sur tous les sourcemètres SMU. il est important de connaître les 2 paramètres suivants (détection déportée de la tension (mesure 4 fils) et fonctionnement 4 quadrants). afin de bien comprendre la différence de fonctionnement entre une alimentation classique + un multimètre d'un côté et un sourcemètre SMU de l'autre.
La détection déportée de la tension
Un défi dans la génération/mesure précise de tension bas niveau (par exemple : mesurer des variations de l'ordre du microvolt voir du nanovolt) est l'effet que la résistance. apportée par l'appareil de génération/mesure et les cordons de test. a sur la tension du circuit/dispositif sous test (DUT). Cette résistance est toujours présente et devient non négligeable lors de mesures bas niveaux. Bien qu’elle n’excède généralement pas plus de quelques ohms. cette résistance peut avoir un effet significatif sur la tension que reçoit un circuit sous test. particulièrement lorsque la résistance interne du DUT est faible.
Afin d'illustrer l'influence qu'aurait un système de génération/mesure sur un DUT. nous prendrons un exemple classique d'alimentation d'un DUT. via une source de tension 2 fils (Voir schémas ci-dessous).
Dans cet exemple. la résistance apportée par le système de génération (alimentation + cordons) est de 1? au bout de chaque cordon connecté au DUT (2 cordons étant branchés. Rlead=2x1?. soit 2?). La tension générée en sortie de l'alimentation sera de 5V (Vpower). Le DUT présentant une impédance de 1k? (Rout).
Vous pouvez calculer la tension réelle (Vout) constatée aux terminaux du DUT en utilisant la formule suivante:
Vout = (Vpower x Rout) / (Rout + Rlead)
Ici. la tension lue (Vout) sera alors de à 4.99V. L'influence de la résistance apportée par le système de génération n'est ici pas très significative. et ne posera pas de problème particulier dans la plupart des applications (Cela dépendant uniquement de la sensibilité du DUT). Cependant. pour des applications qui nécessitent une caractérisation très précise basée sur la tension de fonctionnement. cet écart peut prendre des proportions importantes. notamment pour des matériels présentant des impédances plus basses. Le tableau ci-dessous vous donne pour le même exemple les valeurs de tension (Vout) calculées si le DUT avait eu une impédance plus basse. 3 exemples sont donnés. la 1ère ligne reprenant l'exemple ci-dessus (impédance du DUT à 1k?) pour comparaison.
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On en conclut ici que le système de génération peut lui-même être une source d'erreur plus ou moins importante. et. certaines applications pourront donc nécessiter une source n'ayant aucune influence sur le DUT. Plus grave. les circuits/dispositifs sous test ne supportant pas le moindre écart de tension d'alimentation. pourraient même être détériorés à cause d'un système de génération inadéquat tant au niveau de la source qu'au niveau des cordons utilisés.
La solution à ce problème est la détection déportée. aussi appelée détection/mesure 4 fils. Cette technique permet de mesurer directement la tension en sortie du système de génération/mesure et de compenser automatiquement afin de ne plus observer de chute de tension. Cette méthode s’apparente à la façon dont les multimètres numériques (DMM) effectuent des mesures de résistance à quatre fils pour éliminer l'effet de résistance des cordons de test. Les sourcemètres SMU et les DMMs équipés en 4 fils présentent deux terminaux supplémentaires sur la sortie. pour permettre cette technique de détection déportée à quatre fils. qui sont connectés directement au circuit sous test.
Bien qu’il existe encore une résistance dans les câbles utilisés. les bornes d'entrées des sourcemètres SMU ont une impédance très élevée (Jusque 10G? sur certains modèles) afin qu’aucun courant ne circule à travers les câbles et ainsi aucune chute de tension n’est observée.
Tous les sourcemètres SMUs sont équipés d'entrées/sorties 4 fils. et il est possible d'utiliser l'instrument en 2 fils ou 4fils au choix.
- En mode de mesure 2 fils. la partie source et la partie mesure (voltmètre) sont séparées.
- En mode de mesure 4 fils. la partie mesure (voltmètre) est raccordée à la partie source.
L'ampèremètre est toujours branché en série en sortie de la partie source.
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Diagramme d'un sourcemètre SMU |
Le fonctionnement à quatre quadrants (source et sink)
Le principal intérêt d'un sourcemètre SMU est son principe de fonctionnement. En effet. la source d'un SMU a un principe de fonctionnement à quatre quadrants. Ce principe de fonctionnement permet à un sourcemètre SMU de générer et d'absorber de la tension et/ou du courant. offrant ainsi la possibilité à l'appareil de fonctionner aussi bien comme une alimentation que comme une charge. Les possibilités sont les suivantes :
- Quadrant 1 : tension et courant positifs. fonctionnement en source de puissance.
- Quadrant 2 : tension négative. courant positif. fonctionnement en absorption de tension.
- Quadrant 3 : tension et courant négatifs. fonctionnement en source de puissance.
- Quadrant 4 : tension positive. courant négatif. fonctionnement en absorption de courant.
Un fonctionnement à quatre quadrants est une caractéristique essentielle pour les applications qui nécessitent à la fois de la génération et de l'absorption. comme. par exemple. le fait de tester le cycle de charge sur des batteries rechargeables ou le test de courants de court-circuit de sortie sur les broches d'un matériel semi-conducteur numérique.
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Diagramme 4 quadrants (source et charge) à gauche. diagramme 2 quadrants (source seule) à droite |
Le mode pulsé
Certains modèles de sourcemètres SMU possèdent un mode pulsé. Ce mode permet une génération non continue autorisant ainsi les tests sur des composants risquant de s'échauffer trop et trop vite pendant ces essais. Ainsi. en mode pulsé. il est possible de régler plusieurs paramètres dont les délais de chaque impulsion et entre chaque impulsion. permettant ainsi au composant de ne pas trop chauffer et lui laissant également le temps de refroidir suffisamment pour qu'il ne se détériore pas. Il est également possible de programmer des séquences de tests afin de pouvoir exécuter les essais sans intervention.
Le mode pulsé est intéressant car il permettra notamment d'effectuer des tests à plus forts courants qu'en mode continu. le temps de génération étant plus court qu'en DC. on peut se permettre de générer un courant plus élevé.
En règle générale. la fiche technique d’un sourcemètre SMU spécifie les conditions d'utilisations en mode continu et en mode pulsé. Ces conditions d'utilisations. sont présentées sous la forme d'un diagramme quatre quadrants sur lequel les valeurs limites de courant et de tension sont notées. La figure ci-dessous montre un diagramme quatre quadrants d'un sourcemètre SMU possédant un mode pulsé permettant de monter jusque +-50A et un mode continu jusque +-20A.
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Diagramme 4 quadrants avec mode pulsé et DC |
Sorties bipolaires et balayage
Afin de caractériser des matériels ayant des caractéristiques avant et arrière. par exemple une diode zener. il est nécessaire de disposer d'une source disposant de sorties bipolaires. Avec un sourcemètre SMU 4 quadrants. les générations tension/courant sont possibles à la fois en positif et en négatif. De plus. il est possible de programmer les sourcemètres SMU afin qu'ils génèrent une série de tension/courant depuis une valeur négative jusqu'à une valeur positive. il s'agit du mode balayage (Sweep). Cela permet notamment de pouvoir tracer une courbe caractéristique I-V de composants.
Tous les sourcemètres SMU permettent une génération de tension et/ou courant à la fois en positif et en négatif. contrairement à une alimentation classique qui ne sera capable de générer que de la tension positive.
Connectiques
Selon les modèles de sourcemètres SMU. vous trouverez différents format de connecteurs. Pour la partie source et mesure. la connectique la plus courante est la fiche banane. mais l'on trouve également de simple borniers ou des connecteurs TRIAX.
Connecteurs bananes
Les connecteurs bananes sont des connecteurs standards. Il s'agit de connecteurs isolés. dont la partie conductrice à un diamètre de 4mm. C'est un connecteur normalisé que l'on retrouve sur beaucoup d'appareils. Il présente ainsi l'avantage de pouvoir y brancher tous types de cordons ayant une terminaison de type banane normalisée. ce qui est monnaie courante. L'inconvénient majeur de ce type de connexion est que pour des mesures très bas niveaux. il présente un courant de fuite important lié directement au câble utilisé.
Borniers
Les borniers sont de simples connecteurs sur lesquels on peut brancher des fils dénudés. Ils offrent la possibilité d'y connecter presque n'importe quel câble à partir du moment où les extrémités ne possèdent aucun connecteur (bananes ou autre).
Chez certains fabricants l'on trouvera des adaptateurs permettant de « transformer les borniers » en connecteurs plus standards. permettant ainsi d'utiliser des cordons à fiches bananes ou des cordons TRIAX.
Même principe qu'avec l'utilisation de câbles bananes. la connexion n'étant pas optimale. lors de besoins de mesures de très faibles tensions ou courants. le courant de fuite du câble ne sera pas négligeable. Sauf bien entendu si vous utilisez l'adaptateur adéquat.
TRIAX
Afin de remédier au problème de courant de fuite. sur certains modèles de sourcemètres SMU l'on trouvera une connectique spéciale basée sur une connectique BNC : le TRIAX.
Il s'agit d'un connecteur BNC comportant 1 âme centrale et 2 blindages. Le blindage externe et l'âme centrale sont identiques à un connecteur BNC classique. bien que conçus dans des matériaux de meilleurs qualités. Le blindage interne est quant à lui relié à l'âme centrale. éliminant ainsi les problèmes de courant de fuite. Bien entendu le phénomène n'est pas complètement éliminé. mais il est très fortement réduit.
Pour comparaison. un câble BNC classique a un courant de fuite de l'ordre du nano-ampère (1x10-9). tandis qu'un cordon TRIAX à un courant de fuite de l'ordre de la centaine de femto-ampères (100x10-15).
Tous les sourcemètres SMU ne possédant pas forcément la connectique TRIAX. il est important au moment du choix de l'appareil de bien vérifier. si l'on souhaite effectuer des générations/mesures très bas niveaux (de l'ordre du nano-ampère par exemple). que le sourcemètre possèdera bien la connectique adéquate. ici le TRIAX.
Conclusion
Les sourcemètres SMU sont des appareils de source et de mesure de très haute précision et résolution possédants des avantages non négligeables face aux alimentations associées à des multimètres.
Pour tous les besoins de caractérisations nécessitants d'appliquer une source à un circuit et d'effectuer une mesure sur ce même circuit. un sourcemètre SMU s'impose. Au moment du choix il sera très important de vérifier les caractéristiques des différents modèles existants afin de s'assurer que le modèle retenu correspondra à l'application pour lequel l'appareil sera utilisé : gamme de courant/tension en source (génération/absorption) et en mesure. niveaux de précision et sensibilité souhaités. mode pulsé nécessaire ou non. connectiques TRIAX si les valeurs mesurées sont très faibles (nano-ampère par exemple). etc...). Un autre élément important à prendre en compte est l'interface utilisateur. En effet. certains modèles offrent la possibilité d'afficher les courbes de caractérisations I-V directement à l'écran. alors que d'autres modèles nécessiteront un ordinateur.
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