元器件应用中的拆解安捷伦电源/测量单元（SMU）
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2020-10-20
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元器件应用中的拆解安捷伦电源元器件应用中的拆解安捷伦电源/测量单元（测量单元（SMU））
Dave Jones在5年时间里，上传了超过600个电子类的视频。在每周二，Jones会拆解一个不错的设备（当然，
有时候没有那么好），Jones并不是简单地把盒子破坏、打开，他会用他丰富的电子设计知识来说明这个设备是
怎么设计的，为什么要这么设计。 这一周，Jones拆解了一台安捷伦Agilent B2912A 精密型电源/测量单元
（SMU），它具备以下性能特性：10 fA/100 nV 最小电源分辨率（61/2 位），高分辨率的任意波形生成
（10μs最小间隔），高速数字转换能力 （ 采样率最高为 100000点/秒 ），这些精密仪器通常被用来测量半导体
器件，并产生我们在数据手册上看到的
Dave Jones在5年时间里，上传了超过600个电子类的视频。在每周二，Jones会拆解一个不错的设备（当然，有时候没
有那么好），Jones并不是简单地把盒子破坏、打开，他会用他丰富的电子设计知识来说明这个设备是怎么设计的，为什么要
这么设计。
这一周，Jones拆解了一台安捷伦Agilent B2912A 精密型电源/测量单元（SMU），它具备以下性能特性：10 fA/100 nV
最小电源分辨率（61/2 位），高分辨率的任意波形生成 （10μs最小间隔），高速数字转换能力 （ 采样率最高为 100000点/秒
），这些精密仪器通常被用来测量半导体器件，并产生我们在数据手册上看到的电压-电流曲线。
（注：
Jones
把
SMU
称作
“Shmoo”
是比较有意思的，因为早在上世纪
70
年代，
Shmoo
图就被用来表征半导体器件，这一
时间要比
SMU
的出现早很多，同样也要比安捷伦早很多。
Shmoo
是
Al Capp
在
Li'l Abner
连环漫画中创造的虚构人物，而
shmoo
图很像
shmoo
这个卡通人物，因此采用了相同的名称。）
Jones发现了至少5颗Xilinx器件：3颗Spartan FPGA以及2颗9572XL CPLD（是的，Xilinx还在生产这些CPLD）。安捷伦
SMU的处理器板使用了1个STMicro SPEAR eMPU （ARM Cortex-A9）和1个Xilinx Spartan-3E XC3S1200E FPGA器件，从
板子的布线可以看到，Xilinx FPGA为SPEAR处理器芯片提供了外部I/O的扩展，因为FPGA处于微处理器和处理器板的边缘连
接器之间。
安捷伦
B2912A SMU
处理器板。图片来源：
Dave Jones,EEVblog.com
Jones指出，安捷伦为了后续处理器板的升级需要，而把处理器电路从模拟板中分离出来，这样可以只升级处理器板上的
快速演进的数字部件，而不需要改变模拟板的设计。“他们（安捷伦）想制造一个适应未来15年发展的仪器，在这15年里，模
拟部分的设计不会过时，但是数字控制器可能需要进行升级”
Jones是对的。如果把处理器板放在现在来设计，为了对性能进行升级以及简化设计，安捷伦很可能会采用Zynq完全可编
程的SoC器件来替代上面STMicro SPEAR处理器芯片，因为Zynq SoC器件内置了一个双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器以
及可编程逻辑。
安捷伦SMU中有两块精密的电压/电流 电源板，每块板都有2颗Xilinx可编程器件：一颗是Spartan-6 XC6SLX45 FPGA,另
一颗是XC9572XL CPLD.为什么需要两颗可编程逻辑器件呢？Jones注意到了一个细节，他发现板上使用了一个TI ISO7240M
双通道数字隔离器来把两颗可编程器件分开。Spartan-6 FPGA实现了任意波形发生器的功能。该FPGA要驱动一个TxDAC的
模拟器件，TxDAC接着要驱动板子的power FETs,power FETs水平分布在板子的中央位置，上面覆盖着大块的铝散热片。
Jones认为，CPLD的用途是把仪器处理器板的执行命令传递给被隔离的Spartan-6 FPGA。
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