概观

不论是二极管的简单型离散组件，或如模拟数字转换器（ADC）的复杂组件，其特性记述（Characterization）均必须以一系列数值依序步进（Stepping），并记录其所产生的响应。以二极管来说，常见的激源值（Stimulus value）为电压，而量测值则为电流。若要完整了解二极管的相关作业，则必须尽可能套用不同的电压值至二极管。在生产环境中，电压输出与电流量测的速度多有不同，并可决定厂房的总输出产能。本文将针对二极管特性记述系统的效能，比较传统GPIB 控制电源供应与可程序化PXI电源供应之间的内容。

二极管基础概念

二极管的基础概念，即是让电流单向流动，并阻挡反方向的电流。透过二极管中，N型与P型硅芯片之间的接合（Bond），即可达到上述效果。虽然N型与P型硅芯片均为导体，只要接合并进行合适的导向作业，则在理想状态下不会导通任何电力。只要倒转终端，即可让电流自由流通。当然，实际状况并不可能如此完美。图一则显示电流与电压极体较为实际的状况。

《图一 二极管的作业特性 》 数据源：HowStuffWorks.com

当二极管为逆向偏压（Reverse-biased）时，则将阻挡所有的电流。而实际情况下，会有约10 uA的小型电流通过。然而，若套用的电压达到足够强度，则接合面（Junction）将完全失效，而电流将完全不受限制。当二极管为顺向偏压（Forward-biased），则必须达到某个闸值（通常约为0.7 V）之后，电流才能够顺利通过以进行操作。此项作业即为二极管的开启（Turn-on）电压。

二极管测试

二极管的测试程序必须将一系列的电压值套用至在测单元（UUT），并量测电流响应。测试操作者仅需跨多的电压值进行扫瞄，以取得二极管功能的详细信息。图二即以LabVIEW软件进行电压扫频作业的范例测试程序代码。

《图二 透过二极管进行电压值扫频作业的LabVIEW范例程序代码》

相关程序如下：

常见的二极管测试，应包含从0V开始的扫频电压，至最少约0.7V的瞬时电压范围。越为完整的扫频作业，亦可能包含某些负区域（Negative region）中的特性记述（Characterization），可用于检验逆向偏压的作业。这些范围中所进行量测点的数量，将根据不同的测试精确度而有所差异。

比较扫频时间

由于扫频点的数量将决定分辨率，因此若电源供应可迅速扫瞄一系列的量测点，将对整个作业极有帮助。若要比较扫频时间、或是比较每组装置的测试时间，则可比较GPIB架构的电源供应与可程序化电源供应之间的内容。针对此项测试，则将同时以顺向与逆向偏压，进行二极管的-1.6V～+1.6V特性记述作业。其相关属性如下：

由于程序代码将影响测试结果，因此为了将程序代码的差异降至最低，则使用IVI-DCPower类别驱动程序（Class driver）进行此2项装置的程序设计。可互换式虚拟仪器（IVI）程序设计的概念已开发完成，因此程序代码的片段（Piece）可透过硬件中立（Hardware-agnostic）的方式进行写入，这样便能让相同的代码段可于不同制造商的装置中进行作业。GPIB架构的电源供应与可程序化电源供应均兼容于IVI，因此IVI-DCPower类别驱动程序可同时沟通此2组装置，并保留所有的设定、程序代码无效性（Inefficiency），或其他操作系统于装置中的延迟，此功能可确保比较作业的公平性。

同样地，由于此2组装置并不具有单一的双极输出，亦即均可输出正／负电压，所以测试将专用1个信道为负值，另1个信道则为正值。每项装置的设定为下列所示：

○Channel 1（0～+20 V作业）

此并可于电源供应与二极管之间放置切换矩阵，在测试期间将负极信道迅速转换为正极信道。因为2组装置均使用相同的矩阵，因此可排除为影响因素之一。

《图三 GPIB架构电源供应与可程序化电源供应二极管的测试结果显示图比较结果》

GPIB架构电源供应与可程序化电源供应二极管的测试结果显示图比较结果

每步进电压时间

事实上，只要透过可程序化电源供应，则可跨二极管轻松达到2倍或3倍的扫频点数目，并以相同的测试时间，提升二极管测试的分辨率。再进一步测试可程序化电源供应，则仅需4.6秒与8 mV的步进间隔（Step size），则可达10倍分辨率的扫频数值。可程序化电源供应可于20V的信道中进行最低400 μV的步进电压扫频；针对-1.6V～+1.6V的扫频，则可超过8000个步阶的步进电压。以该分辨率所粗估的总测试时间仅需92秒，亦即仅花4倍时间就可达到GPIB电源供应的200倍分辨率！

如同上述所提过的，此2组装置均以相同的IVI-DCPower类别驱动程序进行程序设计。基于此项功能，当于此2组装置之间进行切换时，仅需小幅修改或不需更动程序代码。且可轻松进行其他GPIB架构电源供应的硬件升级，并可透过可程序化电源供应大幅缩短测试时间或提升分辨率。

使用可程序化电源供应提升速度的理由

比较测试除了与设定电压值相关之外，其每个设定点（Setpoint）亦必须进行电压与电流的双重量测。因此，总线的转换速度，与每组装置所使用的量测架构，均将影响每个步进的所用的时间。

以PXI总线为架构的可程序化电源供应，可大幅提升程序设计与量测的速度。透过132Mbps的PXI总线速度，可简化程序参数的传送作业，并加速数据检索。3个信道的各信道均需进行电压／电流程序设计，再加上兼容性限制、警告、错误，或温度等量测参数与状态信息，因此需双向移动的数据总数，将可直逼传统的总线解决方案。PXI可透过微秒的时间单位移动数据；而传统的GPIB或仪器总线架构，则需要毫秒（Millisecond）或毫秒的10s时间单位。因此在实际情况下，可忽略可程序化电源供应的软件与数据路径负载（Path overhead）。

可程序化电源供应亦具有凌驾传统量测方式的速度优势。常见的电源供应量测方式，均为整合模拟转数字（ADC）的架构模式。这些ADC虽具有噪声的优点，但提升速度的弹性却稍嫌不足，特别在动态的激发响应装置中，此特性则更为明显，像是精确的电源供应或SMU装置。透过多信道的电源供应，则速度较慢的ADC亦可产生大量的负载（Overhead），以撷取多个参数并呈现输出的状态。

可程序化电源供应所使用的架构，是以高速数据撷取系统的相似量测引擎为基础。量测所使用的2组ADC为200 kS/s取样率、16位分辨率的高带宽转换器：1组用于单一非隔离式信道，而另1组则用于2个隔离式信道。ADC可同时进行量测回读（Read back）与输出调节（Regulation）。量测的回路净速度（Net loop speed）约落在3kS/s的范围中。换句话说，量测引擎可于每个300μs时转回6次量测，亦即3个信道的电压与电流输出，包含输出的调节回路数据。此速度足以在毫秒范围内的上升次数同步观看所有信道的趋稳时间，并亦高于任何激发响应步进波形所需的速度。

结论

此速度足以在毫秒范围内的上升次数同步观看所有信道的趋稳时间，并亦高于任何激发响应步进波形所需的速度。

（本文由NI美商国家仪器提供）