D ans 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 (
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 (
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 (VIN )etlecourant (I IN )d'entrée, la tension de sortie (VOUT )etlecourant de charge (IOUT ). À partir de ces mesures, 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 DC-DC,unoscilloscope 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 œuvre 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. Nousallons 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 (ILOAD )varie sous une tension d'entrée VIN constante. Généralement, le test de 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 5 V (valeur nominale) à l'entrée de tension, et la voie SMU CH2 pour scruter un courant de charge de 0 à 1 A et mesurer la tension de sortie résultante. Le pourcentage de la régulation de charge peut être facilement calculé à partir des données de tension-courant (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 (
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 (VG )contrôle le courant qui circule de la source (IS ) aux bornes de drain (ID ). Il existe de nombreux types de FET, notamment les Mosfet (FET à structure métal-oxyde-semiconducteur ou à grille isolée), les Mesfet (FET à grille semi-conducteur-métal), 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
Parmi les tests I-V d'un Mosfet, on compte la caractérisation de la famille de drains des courbes (VDS - I D ). Avec une SMU à deux voies et optimisée pour les faibles courants, la SMU CH1 augmente la tension de porte (VG ), tandis que la SMU CH2 surveille la tension de drain (VD ) et mesure le courant de drain (ID )résultant.
Un test I-V couramment réalisé sur un Mosfet est la famille de drains des courbes (VDS - I D ). Avec ce test, la voie SMU CH1 augmente la tension de porte (VG ), tandis que la voie SMU CH2 surveille la tension de drain (VD )etmesure le courant de drain (ID )résultant. Une 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 (ID )enfonction de la tension de porte (VG ).Pour cela, la tension de porte est scrutée, et le courant de drain résultant est mesuré à tension de drain constante. La figure 5 montre les résultats d'une courbe ID - V G à tension de 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 ID - V 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 reproduc-tibles (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.
Lee Morgan Responsable du développement des marchés chez Tektronix UK Article adapté par Cédric Lardière
