泰克Keithley 精密直流和交流 + 直流低噪声电流源

泰克Keithley 精密直流和交流 + 直流低噪声电流源

6220 型直流电流源和 6221 型交流和直流电流源将易用性与极低的电流噪声相结合。 在测试环境中，从研发到生产，尤其是在半导体、纳米技术和超导体行业，低电流源对于应用至关重要。 6220 型和 6221 型具有高精度源和内置控制功能，非常适合使用增量模式、脉冲测量和微分电导测量的霍尔测量、电阻测量等应用。

6220直流电流源和6221交流/直流电流源是非常易于使用的超低电流噪声电流 源。低电流的产生在从许多研发到生产，尤其是在半导体、纳米技术和超导行业方 面的测试环境应用非常重要。高准确度的源和内建控制功能使6220和6221成为霍尔 测量、使用delta模式的电阻测量、脉冲测量和微分电导测量等应用的理想选择。

6220和6221的特点:

• 源和阱（可编程负载）100fA～ 100mA

• 1014Ω输出阻抗确保能为各种负 载提供稳定的电流源

• 65000点源存储容量允许直接从 电流源执行全面测试电流扫描

• 内建RS-232、GPIB、触发链路和 数字I/O接口

• 可重配置三同轴输出，便于带防 护功能的应用需求

• 220型仿真模式无需对现有应用 重新编程

6221独有特点:

• 4pA～210mA峰峰值交流电流源， 用于元件和材料的交流特性分 析。6221的10MHz输出更新速率 能够产生100kHz的光滑正弦波

• 内建1mHz～100kHz频率范围的标 准波形和任意波形。应用领域包 括复杂可编程负载或传感器信号 以及噪声仿真

• 短至5μs的可编程脉宽，能够 限制专用元件的功耗。当配合 2182A纳伏表使用时，能测量最 窄50μs的脉冲I-V

• 内置以太网接口，无需GPIB控制 卡即可轻松实现远程控制

• 纳米技术
  -微分电导
  -脉冲式信号源与电阻

• 光电应用
  -脉冲式I-V

• 替换交流电阻桥（当结合2182A使用时）
  -低功率电阻测量

• 替换锁定放大器（当结合2182A使用时）
  -低噪声电阻测量

对精密、低电流源的需求。对当今小型和高功率效率电子器件的测试和特性分 析需要输出低电平电流，这需要采用精密的低电流源。较低的激励电流在器件两端 产生较低（因而更难测量）的电压。将6220或6221与2182A纳伏表组合可以妥善地处 理这两方面的挑战。

交流电流源和电流源波形发生器。6221是市面上唯——款低电流交流电流源。 在推出6221之前，研究人员和工程师不得不自己搭建交流电流源。这款经济有效的 源在准确度、一致性、可靠性和鲁棒性方面比“自制”方案更好。6221也是唯一市面 有售的电流源波形发生器，它能极大地简化创建和输出复杂波形。

编程简单。这两款电流源可以从前面板控件或从外部控制器通过RS-232或 GPIB接口进行完全编程；6221还具有以太网接口，可以通过任何以太网连接进行远 程控制。这两款仪器能输出100fA～105mA的直 流电流；6221还能输出4pA～210mA峰峰值的 交流电流。这两款电流源能以10mV步长设置 0.1V～105V的输出电压。最大电压（电流源输出 电流时能达到的电压极限）的重要性在于应用 中过压可能损坏被测器件（DUT）。

直接替换220型电流源。6220和6221构建在 吉时利很受欢迎的220型可编程电流源之上； 在现有应用中，用6220/6221替换220型就能很 容易地实现220型的仿真模式，无需重写控制 代码。

容易设定和执行电流扫描。6220和6221都 提供设定电流斜波的工具，并且通过使用触发 器或定时器以步进式输出多达65,536种输出值 的预定义序列。这两款电流源都支持线性、对 数和自定义方式扫描。

6221结合了高分辨率电流源和兆赫兹的更新速率，因而它以高保真度模拟的电流 信号与模拟电流斜波很难分辨。

免费的仪器控制实例启动软件

电流源的仪器控制实例软件简化了采用吉时利2182A执行基本电流源任务以及调 整复杂的测量功能。这款在LabVIEW编程环境中开发的软件包含一份进阶测量指南， 这有助于用户设置仪器和正确连接，以及设置基本电流源功能。此软件包具有支持 delta模式、微分电导和脉冲模式测量等先进工具。使用此软件包，用户能打印用于任 何预编程函数的仪器指令，它提供在定制应用中包含这些函数的起点。

微分电导

微分电导测量是非线性隧道器件和低温器件最重要和最关键的测量之一。数学上 的微分电导是器件I-V曲线的导数。6220或6221与2182A纳伏表的结合使用是业内最完 整的微分电导测量方案。这些仪器组合也是最快的方案：比其它可选方法的速度快10 倍而且噪声低很多。在一次测量中就能获取数据，无需经过通过多次扫描再将结果进 行平均，这既耗时又容易产生误差。而且，622X和2182A简单易用，因为它们的组合可 以作为单台测量仪器使用。它们简单的连接消除了其它方案很难处理的隔离和噪声电 流问题。

图1. 运行、分析和显示微分电导测量。

Delta模式

最初，吉时利为电压和电阻低噪声测量开发的delta模式法需要将2182纳伏表和可 触发外部电流源结合使用。实际上，delta模式能自动触发电流源使信号极性交替变 化，然后在每个极性上触发纳伏表读数。此电流反向法消除了任何恒定的热电失调， 从而确保测量结果反映了真实的电压值。

同样地，这种基本方法已在622X和2182A的delta模式中采用，但是此方法在实现 中已被极大地增强和简化。现在，此方法消除了随时间漂移的热电失调，只用以前方 法的一半时间就能产生结果，而且允许电流源控制和设置纳伏表，因而仅需两次按钮 便能完成测量设置。改进的热电失调消除和较高的读速率可将测量噪声降低至1n

图2. Delta模式提供1000:1噪声衰减

Delta模式能准确测量低电压和小电阻。将622X和2182A正确连接后，用户只 用按下电流源的Delta按钮，再按下Trigger按钮，就能启动测试。622X和2182A能 无缝地配合工作并能通过GPIB接口（6221的GPIB或以太网接口）进行控制。622X 提供免费的控制软件实例，包括“带领”用户完成delta模式设置过程的指南。

脉冲测试

即使测量过程本身引入的少量热量也会提升DUT的温度，从而使测试结果偏 移或甚至损坏器件。通过在脉冲测量过程中为提供用户设置最佳的脉冲电流幅 度、脉冲间隔、脉冲宽度和其它脉冲参数等最大灵活性，6221的脉冲测量功能使 DUT的功耗降至最低。

6221凭借全量程微秒级上升时间使短脉冲（因而降低了热耗散）成为可 能。6221/2182A组合使脉冲和测量同步——可以在6221施加脉冲后16μs立即开 始测量。包括完整的纳伏级电压测量在内的整个脉冲宽度可仅为50μs。6221和 2182A之间的工频同步消除了电力线相关的噪声。

标准波形和任意波形发生器

6221是市面上唯一一款低电流电流源波形发生器。它能设置产生基本波形 （正弦波、方波、三角波和斜波）并且用支持逐点定义波形的任意波形发生器 （ARB）来定制波形。它能以10兆次采样/秒的输出更新速率产生1mHz～100kHz频 率范围的波形。

性能优于交流电阻桥和锁定放大器

相对交流电阻器桥和锁定放大器而言，622X/2182A组合具有许多优点，包括 噪声低、输出的电流更小、测量的电压更小、到DUT的功耗更小而且成本低。而 且，无需电流前置放大器。

6221还能在已经采用锁定放大器 的应用中，扩展锁定放大器的功能。 例如，它能清洁信号并且其输出同步 信号使其成为锁定应用（例如测量器 件的第二和第三谐波响应）的理想输 出源。

6220和6221与自制电流源比较

许多需要电流源的研究人员和工 程师尝试用电压源和串联电阻器来 凑合。这是需要交流电流时的常用方 法。这是由于在6220/6221推出之前 市面上没有交流电流源出售。然而， 自制的电流源与真电流源相比有许多 缺点：

• 自制电流源没有最大电压。您可能 想确定在您自制的“电流源”端子 上的电压永远不超过某个界限（例 如，就许多光电器件来说是1～2V） 。实现这个最直接方法是将电压源 降至那个电压界限。这需要降低串 联电阻以获得所需的电流。如果您 想设置不同的电流，就必须改变电 阻器的同时电压保持不变！另一种 可能的办法是给DUT并联一个保护 电路。这些操作没有精密的电压控 制并且总是用作并联器件，因而“ 盗取”了一部分流向DUT的设置电 流。

• 自制电流源的输出不可预测。使用 由电压源和串联电阻器制成的自 制“电流源”，DUT的阻抗构成分压 器。如果DUT电阻是完全可预测的， 那么就能知道电流，但如果DUT电阻 像大多数器件那样未知或变化，那 么电流不再简单地是施加电压的函 数。让电流源可预测的最佳方法是 使用极高电阻值的串联电阻器（并 且相应地采用高压电压源），这与 所需的最大电压恰好矛盾。
  虽然可以知道（如果不能控 制）来自这种不可预测电流源的实 际电流，但是也需要付出代价。这 可以补充测量电流（例如用电压表 测量串联电阻器的压降）来实现。 这种测量能被用作反馈以改变电压 源或简单地记录下来。无论是哪种 方法，它都需要附加的设备，这进 一步增加了复杂度或误差。更糟的 是，如果自制电流源采用大串联电 阻进行一般预测，那么此回读需要 用静电计以确保准确度。

2182A纳伏表

2182A扩展了吉时利原有2182纳伏 表的功能。虽然6220和6221兼容2182 ，但是使用2182进行delta模式和微 分电导测量需要的时间是使用2182A 的两倍。与2182A不同，2182不支持脉 冲模式测量。

图3. 工频同步的测量将50Hz/60Hz干扰降至最低。

图4. 使用6221和免费的启动控制软件实例，通 过加、乘、连接起来，或者对标准波形施加滤波 器等操作轻松创建复杂波形。

622X/2182A组合的应用

• 容易协调仪器而且直观的软件实例简 化了许多应用的设置和操作。
• 10nΩ～100MΩ电阻测量范围。一种测 量系统可用于宽范围器件。
• 以低噪声性能替代用于测量电阻的交 流电阻桥和锁定放大器。
• 以50μs的窄脉宽调整脉冲和测量（仅 6221）。
• 测量微分电导的速度比以前的方案快 10倍而且噪声较低。微分电导是用于 描述衬底材料能态密度的半导体研究 的重要参数。
• Delta模式使电阻测量中的噪声降低了 1000倍。
• 对于低阻抗霍尔测量，622X/2182A组 合的delta工作模式具有业界领先的 噪声性能和接触电位抑制。对于较高 阻抗霍尔测量（大于100MΩ）,4200- SCS能取代电流源、开关和多种高阻抗 电压测量通道。这提供了带预编程测 试项目的完整方案。

电流指标

电流源的附加指标

输出电阻：>1014 Ω（2nA/20nA量程）。
输出电容：<10pF，<100pF滤波器开（2nA/20nA量 程）。
负载阻抗：稳定至10μH（典型值），100μH对于6220 ，或对于慢速输出响应的6221。
电压极限（最大电压）：双极性电压极限设为单一 值。以0.01V可编程步长的0.1V～105V。
最大输出功率：11W，4象限源或阱工作。
防护输出准确度：±1mV用于输出电流<2mA（不包含 输出引线压降）。
程序存储器：地址数：64K。提供逐点控制和触发， 例如扫描。
最大触发速率：1000/s。
10Hz～20MHz噪声有效值（2nA～20mA量程）：低于 1mV有效值，5mV峰峰值（至50Ω负载）。

电流源注解：

1.建立时间指定至电阻性负载，其中最大电阻值等 于2V/Ifullscale全量程范围。参见手册获取其它负 载的情况。
2.至0.1%最终值的建立时间通常是1%的建立时间2 倍以下。
3.典型值未经证实，适用于23°C，代表50%段指 （50th percentile），并且仅作为有用信息。

2182A的测量功能

DUT电阻：达1GΩ（1ns）（100MΩ极限适于脉冲模 式）。
Delta模式电阻测量和微分电导：以高达24Hz反向 速率控制吉时利2182A纳伏表（2182，以12Hz）。
脉冲测量（仅6221）：
脉冲宽度：50μs～12ms，1pA～100mA。
重复间隔：83.3ms～5s。

任意函数发生器（仅6221）

波形：正弦波、方波、斜波和4种用户定义的任意波形。
频率范围：1mHz～100kHz。5
频率准确度：±100ppm（1年）。
采样速率：10 MSPS。
幅度：4pA～210mA峰峰值至高达1012Ω负载。
幅度分辨率：16 bit（包括符号位）。
幅度准确度（<10kHz）5：
幅度：±（1%读数+0.2%量程）。
偏移：±（0.2%读数+0.2%量程）。
正弦波特性：
幅度平坦度：低于1dB至100kHz6。
方波特性：
过冲：最大值的2.5%6。
可变占空比4：可设置至1μs脉冲宽度最小值，0.01%可编程分辨率。
抖动（有效值）：100ns+周期的0.1%6。
斜波特性：
线性度：低于峰值输出的0.1%至10kHz6。
任意波形特性：
波形长度：2～64K点。
抖动（有效值）：100ns+周期的0.1%6。

波形注解：

4.可实现的最小占空比受电流量程响应和负载阻抗的 限制。
5.幅度准确度可应用至2V/I全量程范围的最大阻性负 载。幅度衰减将出现在较高频率上，取决于电流量程 和负载阻抗。
6.这些指标仅对20mA量程和50Ω负载有效。

综合说明

共模电压：250V有效值，直流。
共模隔离：>109Ω，<2nF。
远端接口：
SCPI（用于可编程仪器的标准命令）。
数字I/O：1触发输入，4 TTL/时延驱动输出。
输出连接：
特氟纶材料绝缘的3接线柱三同轴接头用于输出。
香蕉安全插座用于GUARD，OUTPUT LO。
螺钉端子用于CHASSIS。
DB-9连接器用于EXTERNAL TRIGGER INPUT，OUTPUT和DIGITAL I/O。
2位置螺钉端子用于INTERLOCK。
工作环境：
工作条件：0°C～50°C，70%相对湿度至 35°C。在35°～50°C条件下，相对湿度降低 3%/°C。存储条件：–25°C～65°C，设计确 保。
EMC：符合欧盟指令89/336/EEC，EN 61326-1。
安全性：符合欧盟指令73/23/EEC，EN61010-1。
振动：MIL-PRF-28800F Class 3，随机。
预热：1小时达到额定准确度。
被动降温：无风扇。

泰克Keithley 精密直流和交流 + 直流低噪声电流源