SMUを使用する5つの理由

ソース・メジャー・ユニットとは？

ソース・メジャー・ユニット（SMU）は、電源、電子負荷、高分解能デジタルマルチメータが1つのユニットに統合された測定器です。SMUは、半導体の特性評価、マイクロコントローラーの消費電力監視、IoTデバイス用バッテリーのシミュレートに使用することができます。

SMUとベンチ用電源の主な違いは、SMUは電流のソース／シンクが可能でありながら、高いリードバック／プログラミング分解能も備えていることです。

SMU測定の重要な例

SMUは動的な変化をトラッキングすることができます。例えば、Bluetooth® Low Energyデバイスは、スリープモード中に場合に応じて数nAの範囲の電流を流しますが、センサの読み取り中や結果の送信中は数百mAを消費します。SMUは、被試験デバイス（DUT）に電源を供給しながら、これら両方の電流範囲を測定することができます。

別のSMU測定に、半導体デバイスの特性評価があります。4象限SMUの出力端子は、極性に関係なくソースまたはシンクとして動作します。これにより、ダイオードなどの半導体デバイスの順方向および逆方向特性を1台の測定器で評価することができます。

以降では、5つのSMUアプリケーションの詳細と、それらをDUTの評価にどのように役立てるのかを説明します。

1. 電源または電子負荷としてのSMU

基本的にSMUには3種類の測定器が統合されているので、多くのユースケースがあります。第一に、SMUは、過電圧保護や電流リミットなどの安全機能を備えたベンチ用電源として使用することができます。さらに、DUTに電源を供給しながら、内蔵の6.5桁デジタルマルチメータで、電圧、電流、消費電力を測定することができます。

スタンドアロンのベンチ用電源と異なり、2象限SMUはソースまたはシンクが可能です。SMUは、シンクとして動作するときは電子負荷と同様に機能します。電子負荷はプログラマブル抵抗のようなものです。被試験デバイスに対して定電圧の印加、定電流の供給、定抵抗の追加を行うモードに負荷を設定することができます。

R&S(R)NGU201シリーズなどのソース・メジャー・ユニットは、自動的にソースと負荷を切り替えることができます。この柔軟性により、デバイスでのバッテリーの充放電動作をシミュレートすることができます。

2. SMUによる正確な電圧測定のデータログ

SMUの動作が電源供給であろうと負荷であろうと、内蔵デジタルマルチメータで、電圧、電流、消費電力を監視することができます。フロントパネル、またはリモート・プログラミング・コマンドを介して瞬時値を確認できるのは便利ですが、デバイスを特性評価する際には、時間に伴ってそれらの値がどのように変化するのかを確認することも重要な場合があります。

SMUは、それらの測定を500,000回／秒（500 kサンプル／秒）の速度でサンプリングすることができます。すなわち、SMUはデータロギング測定器として動作することができます。例えば、サンプルしたデータをUSBドライブ上のCSVファイルに保存して、詳細な解析に使用することができます。あるいは、フロントパネルディスプレイに直接トレンドを表示することもできます。

このようなログ情報の捕捉に加えて、SMUの「センス入力」を使用して確度を高めることができます。SMUとDUT間のケーブルには損失があるため、フロント・パネル・コネクタでの電圧は、DUTに印加されている電圧よりも高くなります。専用の「センス」入力を別のケーブルでDUTに接続することで、SMUはケーブルの損失を補正して、より正確な測定値を提供できるようになります。

R&S®NGU201には、さらに固有の改善点があります。こちらは、回路のどこにでも配置できるオプションのデジタル電圧計（DVM）を提供しています。例えば、バッテリーの状態やPOL（point of load）コンバーターの出力を監視することができます。このDVMは、フロントパネルの電圧測定モニターとパラレルに動作し、チャネルから電気的に絶縁されています。

3. 電流／負荷応答の変化の測定

低電力のスリープ状態が実装された、無線トランスミッターを内蔵したデバイスでは、nAからAまでのダイナミックな電流を扱う必要があります。SMUは、DUTに電源を供給しながら、このような広い電流範囲を正確に測定することができます。

DUTが動作状態を変更するときには、消費電流に突然の変化が生じます。ベンチ用電源は、負荷の変化に応答するのに多少の時間がかかります。従来のスタンドアロンの電源は、このような遷移にうまく応答できない場合があります。一方、R&S®NGUシリーズのような測定器は、30 μs以内で負荷応答の変化に反応できます。

4. 4象限SMUによる半導体デバイスの特性評価

半導体デバイスを特性評価する際には、一般的に順極性と逆極性で電流のシンク／ソースを行う必要があります。例えば、ダイオードでは、

電流‐電圧（IV）曲線をプロットするために、正の順電圧に達するまで、負電圧で流れる電流を測定する必要があります。従来の電源や2象限SMUでは負電圧を供給できたとしても、負と正を切り替えるために手動操作の介入（例えば、プローブの物理的な変更）が必要でした。しかし、4象限SMUでは電圧範囲を掃引しながら、負出力から正出力へとシームレスに切り替えることができます。

5. バッテリー動作デバイスのシミュレート

バッテリー動作デバイスの動作寿命には複数の課題があります。1つの課題は、バッテリーが化学的に蓄電することです。そのため、電力供給は、化学的性質、温度、負荷によって変化します。もう1つの課題は、DC/DCコンバーターの効率により、入力電圧や出力負荷が変化することです。

物理的なバッテリーで考えられるすべての変化をテストすることは現実的ではなく、特にリチウムイオンやリチウムポリマーのような異なる化学物質を試したい場合には不可能です。幸い、R&S®NGUのようなSMUはバッテリーをシミュレートできます。さらに、ユーザー定義済みプロファイルでそれらをプログラムして、環境条件との一致性を高めることができます。

SMUは、さまざまな条件下でデバイスが動作する時間の長さを、他の測定器を追加せずに特性評価することができます。これは、SMUを使用してバッテリーをシミュレートする最も大きな利点です。

本器のもう1つの評価ポイントは、バッテリーを再充電できる機能です。SMUを電子負荷として使用すれば、セルが接続されていない場合や、過電圧、電圧不足、バッテリー切れといった状況をシミュレートすることができます。