泰克Keithley 精密直流和交流 + 直流低噪聲電流源

6220 型直流電流源和 6221 型交流和直流電流源將易用性與極低的電流噪聲相結合。 在測試環境中，從研發到生產，尤其是在半導體、納米技術和超導體行業，低電流源對于應用至關重要。 6220 型和 6221 型具有高精度源和內置控制功能，非常適合使用增量模式、脈沖測量和微分電導測量的霍爾測量、電阻測量等應用。

6220直流電流源和6221交流/直流電流源是非常易于使用的超低電流噪聲電流 源。低電流的產生在從許多研發到生產，尤其是在半導體、納米技術和超導行業方 面的測試環境應用非常重要。高準確度的源和內建控制功能使6220和6221成為霍爾 測量、使用delta模式的電阻測量、脈沖測量和微分電導測量等應用的理想選擇。

6220和6221的特點:

• 源和阱（可編程負載）100fA～ 100mA

• 1014Ω輸出阻抗確保能為各種負 載提供穩定的電流源

• 65000點源存儲容量允許直接從 電流源執行全面測試電流掃描

• 內建RS-232、GPIB、觸發鏈路和 數字I/O接口

• 可重配置三同軸輸出，便于帶防 護功能的應用需求

• 220型仿真模式無需對現有應用 重新編程

6221獨有特點:

• 4pA～210mA峰峰值交流電流源， 用于元件和材料的交流特性分 析。6221的10MHz輸出更新速率 能夠產生100kHz的光滑正弦波

• 內建1mHz～100kHz頻率范圍的標 準波形和任意波形。應用領域包 括復雜可編程負載或傳感器信號 以及噪聲仿真

• 短至5μs的可編程脈寬，能夠 限制專用元件的功耗。當配合 2182A納伏表使用時，能測量最 窄50μs的脈沖I-V

• 內置以太網接口，無需GPIB控制 卡即可輕松實現遠程控制

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• 納米技術
  -微分電導
  -脈沖式信號源與電阻

• 光電應用
  -脈沖式I-V

• 替換交流電阻橋（當結合2182A使用時）
  -低功率電阻測量

• 替換鎖定放大器（當結合2182A使用時）
  -低噪聲電阻測量

對精密、低電流源的需求。對當今小型和高功率效率電子器件的測試和特性分 析需要輸出低電平電流，這需要采用精密的低電流源。較低的激勵電流在器件兩端 產生較低（因而更難測量）的電壓。將6220或6221與2182A納伏表組合可以妥善地處 理這兩方面的挑戰。

交流電流源和電流源波形發生器。6221是市面上唯——款低電流交流電流源。 在推出6221之前，研究人員和工程師不得不自己搭建交流電流源。這款經濟有效的 源在準確度、一致性、可靠性和魯棒性方面比“自制”方案更好。6221也是唯一市面 有售的電流源波形發生器，它能極大地簡化創建和輸出復雜波形。

編程簡單。這兩款電流源可以從前面板控件或從外部控制器通過RS-232或 GPIB接口進行完全編程；6221還具有以太網接口，可以通過任何以太網連接進行遠 程控制。這兩款儀器能輸出100fA～105mA的直 流電流；6221還能輸出4pA～210mA峰峰值的 交流電流。這兩款電流源能以10mV步長設置 0.1V～105V的輸出電壓。最大電壓（電流源輸出 電流時能達到的電壓極限）的重要性在于應用 中過壓可能損壞被測器件（DUT）。

直接替換220型電流源。6220和6221構建在 吉時利很受歡迎的220型可編程電流源之上； 在現有應用中，用6220/6221替換220型就能很 容易地實現220型的仿真模式，無需重寫控制 代碼。

容易設定和執行電流掃描。6220和6221都 提供設定電流斜波的工具，并且通過使用觸發 器或定時器以步進式輸出多達65,536種輸出值 的預定義序列。這兩款電流源都支持線性、對 數和自定義方式掃描。

6221結合了高分辨率電流源和兆赫茲的更新速率，因而它以高保真度模擬的電流 信號與模擬電流斜波很難分辨。

免費的儀器控制實例啟動軟件

電流源的儀器控制實例軟件簡化了采用吉時利2182A執行基本電流源任務以及調 整復雜的測量功能。這款在LabVIEW編程環境中開發的軟件包含一份進階測量指南， 這有助于用戶設置儀器和正確連接，以及設置基本電流源功能。此軟件包具有支持 delta模式、微分電導和脈沖模式測量等先進工具。使用此軟件包，用戶能打印用于任 何預編程函數的儀器指令，它提供在定制應用中包含這些函數的起點。

微分電導

微分電導測量是非線性隧道器件和低溫器件最重要和最關鍵的測量之一。數學上 的微分電導是器件I-V曲線的導數。6220或6221與2182A納伏表的結合使用是業內最完 整的微分電導測量方案。這些儀器組合也是最快的方案：比其它可選方法的速度快10 倍而且噪聲低很多。在一次測量中就能獲取數據，無需經過通過多次掃描再將結果進 行平均，這既耗時又容易產生誤差。而且，622X和2182A簡單易用，因為它們的組合可 以作為單臺測量儀器使用。它們簡單的連接消除了其它方案很難處理的隔離和噪聲電 流問題。

圖1. 運行、分析和顯示微分電導測量。

Delta模式

最初，吉時利為電壓和電阻低噪聲測量開發的delta模式法需要將2182納伏表和可 觸發外部電流源結合使用。實際上，delta模式能自動觸發電流源使信號極性交替變 化，然后在每個極性上觸發納伏表讀數。此電流反向法消除了任何恒定的熱電失調， 從而確保測量結果反映了真實的電壓值。

同樣地，這種基本方法已在622X和2182A的delta模式中采用，但是此方法在實現 中已被極大地增強和簡化。現在，此方法消除了隨時間漂移的熱電失調，只用以前方 法的一半時間就能產生結果，而且允許電流源控制和設置納伏表，因而僅需兩次按鈕 便能完成測量設置。改進的熱電失調消除和較高的讀速率可將測量噪聲降低至1n

圖2. Delta模式提供1000:1噪聲衰減

Delta模式能準確測量低電壓和小電阻。將622X和2182A正確連接后，用戶只 用按下電流源的Delta按鈕，再按下Trigger按鈕，就能啟動測試。622X和2182A能 無縫地配合工作并能通過GPIB接口（6221的GPIB或以太網接口）進行控制。622X 提供免費的控制軟件實例，包括“帶領”用戶完成delta模式設置過程的指南。

脈沖測試

即使測量過程本身引入的少量熱量也會提升DUT的溫度，從而使測試結果偏 移或甚至損壞器件。通過在脈沖測量過程中為提供用戶設置最佳的脈沖電流幅 度、脈沖間隔、脈沖寬度和其它脈沖參數等最大靈活性，6221的脈沖測量功能使 DUT的功耗降至最低。

6221憑借全量程微秒級上升時間使短脈沖（因而降低了熱耗散）成為可 能。6221/2182A組合使脈沖和測量同步——可以在6221施加脈沖后16μs立即開 始測量。包括完整的納伏級電壓測量在內的整個脈沖寬度可僅為50μs。6221和 2182A之間的工頻同步消除了電力線相關的噪聲。

標準波形和任意波形發生器

6221是市面上唯一一款低電流電流源波形發生器。它能設置產生基本波形 （正弦波、方波、三角波和斜波）并且用支持逐點定義波形的任意波形發生器 （ARB）來定制波形。它能以10兆次采樣/秒的輸出更新速率產生1mHz～100kHz頻 率范圍的波形。

性能優于交流電阻橋和鎖定放大器

相對交流電阻器橋和鎖定放大器而言，622X/2182A組合具有許多優點，包括 噪聲低、輸出的電流更小、測量的電壓更小、到DUT的功耗更小而且成本低。而 且，無需電流前置放大器。

6221還能在已經采用鎖定放大器 的應用中，擴展鎖定放大器的功能。 例如，它能清潔信號并且其輸出同步 信號使其成為鎖定應用（例如測量器 件的第二和第三諧波響應）的理想輸 出源。

6220和6221與自制電流源比較

許多需要電流源的研究人員和工 程師嘗試用電壓源和串聯電阻器來 湊合。這是需要交流電流時的常用方 法。這是由于在6220/6221推出之前 市面上沒有交流電流源出售。然而， 自制的電流源與真電流源相比有許多 缺點：

• 自制電流源沒有最大電壓。您可能 想確定在您自制的“電流源”端子 上的電壓永遠不超過某個界限（例 如，就許多光電器件來說是1～2V） 。實現這個最直接方法是將電壓源 降至那個電壓界限。這需要降低串 聯電阻以獲得所需的電流。如果您 想設置不同的電流，就必須改變電 阻器的同時電壓保持不變！另一種 可能的辦法是給DUT并聯一個保護 電路。這些操作沒有精密的電壓控 制并且總是用作并聯器件，因而“ 盜取”了一部分流向DUT的設置電 流。

• 自制電流源的輸出不可預測。使用 由電壓源和串聯電阻器制成的自 制“電流源”，DUT的阻抗構成分壓 器。如果DUT電阻是完全可預測的， 那么就能知道電流，但如果DUT電阻 像大多數器件那樣未知或變化，那 么電流不再簡單地是施加電壓的函 數。讓電流源可預測的最佳方法是 使用極高電阻值的串聯電阻器（并 且相應地采用高壓電壓源），這與 所需的最大電壓恰好矛盾。
  雖然可以知道（如果不能控 制）來自這種不可預測電流源的實 際電流，但是也需要付出代價。這 可以補充測量電流（例如用電壓表 測量串聯電阻器的壓降）來實現。 這種測量能被用作反饋以改變電壓 源或簡單地記錄下來。無論是哪種 方法，它都需要附加的設備，這進 一步增加了復雜度或誤差。更糟的 是，如果自制電流源采用大串聯電 阻進行一般預測，那么此回讀需要 用靜電計以確保準確度。

2182A納伏表

2182A擴展了吉時利原有2182納伏 表的功能。雖然6220和6221兼容2182 ，但是使用2182進行delta模式和微 分電導測量需要的時間是使用2182A 的兩倍。與2182A不同，2182不支持脈 沖模式測量。

圖3. 工頻同步的測量將50Hz/60Hz干擾降至最低。

圖4. 使用6221和免費的啟動控制軟件實例，通 過加、乘、連接起來，或者對標準波形施加濾波 器等操作輕松創建復雜波形。

622X/2182A組合的應用

? 容易協調儀器而且直觀的軟件實例簡 化了許多應用的設置和操作。
? 10nΩ～100MΩ電阻測量范圍。一種測 量系統可用于寬范圍器件。
? 以低噪聲性能替代用于測量電阻的交 流電阻橋和鎖定放大器。
? 以50μs的窄脈寬調整脈沖和測量（僅 6221）。
? 測量微分電導的速度比以前的方案快 10倍而且噪聲較低。微分電導是用于 描述襯底材料能態密度的半導體研究 的重要參數。
? Delta模式使電阻測量中的噪聲降低了 1000倍。
? 對于低阻抗霍爾測量，622X/2182A組 合的delta工作模式具有業界領先的 噪聲性能和接觸電位抑制。對于較高 阻抗霍爾測量（大于100MΩ）,4200- SCS能取代電流源、開關和多種高阻抗 電壓測量通道。這提供了帶預編程測 試項目的完整方案。

電流指標

電流源的附加指標

輸出電阻：>1014 Ω（2nA/20nA量程）。
輸出電容：<10pF，<100pF濾波器開（2nA/20nA量 程）。
負載阻抗：穩定至10μH（典型值），100μH對于6220 ，或對于慢速輸出響應的6221。
電壓極限（最大電壓）：雙極性電壓極限設為單一 值。以0.01V可編程步長的0.1V～105V。
最大輸出功率：11W，4象限源或阱工作。
防護輸出準確度：±1mV用于輸出電流<2mA（不包含 輸出引線壓降）。
程序存儲器：地址數：64K。提供逐點控制和觸發， 例如掃描。
最大觸發速率：1000/s。
10Hz～20MHz噪聲有效值（2nA～20mA量程）：低于 1mV有效值，5mV峰峰值（至50Ω負載）。

電流源注解：

1.建立時間指定至電阻性負載，其中最大電阻值等 于2V/Ifullscale全量程范圍。參見手冊獲取其它負 載的情況。
2.至0.1%最終值的建立時間通常是1%的建立時間2 倍以下。
3.典型值未經證實，適用于23°C，代表50%段指 （50th percentile），并且僅作為有用信息。

2182A的測量功能

DUT電阻：達1GΩ（1ns）（100MΩ極限適于脈沖模 式）。
Delta模式電阻測量和微分電導：以高達24Hz反向 速率控制吉時利2182A納伏表（2182，以12Hz）。
脈沖測量（僅6221）：
脈沖寬度：50μs～12ms，1pA～100mA。
重復間隔：83.3ms～5s。

任意函數發生器（僅6221）

波形：正弦波、方波、斜波和4種用戶定義的任意波形。
頻率范圍：1mHz～100kHz。5
頻率準確度：±100ppm（1年）。
采樣速率：10 MSPS。
幅度：4pA～210mA峰峰值至高達1012Ω負載。
幅度分辨率：16 bit（包括符號位）。
幅度準確度（<10kHz）5：
幅度：±（1%讀數+0.2%量程）。
偏移：±（0.2%讀數+0.2%量程）。
正弦波特性：
幅度平坦度：低于1dB至100kHz6。
方波特性：
過沖：最大值的2.5%6。
可變占空比4：可設置至1μs脈沖寬度最小值，0.01%可編程分辨率。
抖動（有效值）：100ns+周期的0.1%6。
斜波特性：
線性度：低于峰值輸出的0.1%至10kHz6。
任意波形特性：
波形長度：2～64K點。
抖動（有效值）：100ns+周期的0.1%6。

波形注解：

4.可實現的最小占空比受電流量程響應和負載阻抗的 限制。
5.幅度準確度可應用至2V/I全量程范圍的最大阻性負 載。幅度衰減將出現在較高頻率上，取決于電流量程 和負載阻抗。
6.這些指標僅對20mA量程和50Ω負載有效。

綜合說明

共模電壓：250V有效值，直流。
共模隔離：>109Ω，<2nF。
遠端接口：
SCPI（用于可編程儀器的標準命令）。
數字I/O：1觸發輸入，4 TTL/時延驅動輸出。
輸出連接：
特氟綸材料絕緣的3接線柱三同軸接頭用于輸出。
香蕉安全插座用于GUARD，OUTPUT LO。
螺釘端子用于CHASSIS。
DB-9連接器用于EXTERNAL TRIGGER INPUT，OUTPUT和DIGITAL I/O。
2位置螺釘端子用于INTERLOCK。
工作環境：
工作條件：0°C～50°C，70%相對濕度至 35°C。在35°～50°C條件下，相對濕度降低 3%/°C。存儲條件：–25°C～65°C，設計確 保。
EMC：符合歐盟指令89/336/EEC，EN 61326-1。
安全性：符合歐盟指令73/23/EEC，EN61010-1。
振動：MIL-PRF-28800F Class 3，隨機。
預熱：1小時達到額定準確度。
被動降溫：無風扇。

泰克Keithley 精密直流和交流 + 直流低噪聲電流源