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拆解安捷伦电源/测量单元(SMU)

Steve Leibson?? 赛灵思战略营销与业务规划总监?? 2014年08月19日 ?? 收藏1
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
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。

下图是Jones拍摄的安捷伦SMU模拟板的照片,Spartan-6 FPGA位于右侧大电容的下方,CPLD在两颗芯片的左边,TI的数字隔离器在中间。如果仔细看,可以看到这些器件附近的丝网印刷的电流隔离线。

安捷伦B2912A SMU模拟板。图片来源:Dave Jones,EEVblog.com
安捷伦B2912A SMU模拟板。图片来源:Dave Jones,EEVblog.com


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电源/测量单元? 拆解? FPGA? CPLD?

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