다항 회귀 분석을 이용한 고성능 Source-Measurement Unit의 구현에 대한 연구

Abstract

최근의 휴대폰, 태블릿, 노트북 등 다양한 전자 기기들은 소형 경량화를 추구하면서 배터리의 사용 시간이 관심이 되고 있다. 같은 용량의 배터리라도 오래 사용 가능한 기기의 선호도가 좋아지게 된다. 이러한 이유 등으로 전자 기기들을 구성하는 반도체, 바이폴라 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터, 다이오드, LED 등 전자 부품의 전기적 특성을 테스트하는 것은 중요한 부분이다. 이러한 전자 부품의 전기적 특성을 테스트하는 방법으로는 전원공급기로 전자 부품에 전압 또는 전류를 공급하고, 이에 따라 나타나는 전류 또는 전압을 디지털멀티미터(DMM)로 측정하는 방법이 존재한다. 그러나 이 방식은 구성하는 기기들로 인하여 공간적 부피가 커지고, 동기화 문제와 비용이 많이 발생하는 문제가 있다. SMU(Source Measurement Unit)는 이 같은 문제를 해결하기 위하여 만들어 것으로, 전압을 인가(Sourcing)하면서 동시에 전류를 측정(Measuring)하거나, 전류를 인가(Sourcing)하면서 동시에 전압을 측정(Measuring)할 수 있는 계측기의 일종이다. SMU는 전압원, 전류원, 전압계, 전류계의 기능을 한 회로 내에 구현한 것으로, 각종 반도체 소자, LED, 다이오드, 바이폴라 트랜지스터(BJT), 전계 효과 트랜지스터(FET) 등과 같은 전자 소자의 전기적 특성을 측정하여 제조 시 전자 소자의 오류 여부뿐만 아니라 전자 소자 제조 공정의 검증과 사용할 전자 소자의 검증에도 사용되고 있다. 그러나 이러한 장비들은 대부분 범용장비로 만들어지기 때문에 다른 피측정 전자 소자들도 대응하기 위하여 전압 또는 전류의 인가 및 측정 범위가 광범위하게 넓고 필요 이상의 기능이 많이 내포 되어있다. 또한 상대적으로 고가격이며, 사용자의 요구사항을 단시일 내에 적용하기 어려우며, 주기적으로 비용을 내고 교정을 받아야하는 단점이 존재한다. 이러한 이유 등으로 인하여 고성능이지만 경제적이며, 사용자의 요구 사항을 단시일 내에 적용할 수 있는 SMU의 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 정밀도와 정확도를 높이면서 경제적으로 제작이 가능한 고성능 SMU의 구현을 제안하였으며, 이에 대한 방법으로 우선 정밀도를 높이기 위하여 고분해능의 DAC(Digital Analog Converter)와 ADC(Analog Digital Converter)를 사용하였다. 또한 정확도를 높이기 위하여 DAC, ADC에 나타나는 오프셋 오차와 이득오차를 우선 감소시켰고, 정현파 형태의 간섭오차(Interference error)와 임의로 발생하는 우연오차(Random error)를 재귀평균방법을 이용하여 감소시켰으며, 전체 회로의 비선형 오차와 오프셋 오차, 이득 오차 등을 다항회귀분석(Polynomial Regression Analysis)방법으로 보정하여 감소시켰다. 또한 구현된 재귀평균방법과 다항회귀분석법을 이용한 보정방식이 시스템 내에서 빠르게 동작할 수 있도록 DSP(Digital Signal Processing) 기능을 내장된 마이크로프로세서를 사용하여 디지털 시스템을 설계 제작하였으며, 고정밀 인가 및 측정을 위해 두 종류의 회로를 설계 제작하였다. 첫 번째로는 기존의 SMU의 기본 구조와는 다르지만 ADC, DAC의 분해능을 향상시킬 수 있으며, 시스템을 경제적으로 구현할 수 있는 단전원을 이용한 I-V 인가 및 측정 시스템을 설계 제작하였으며, 두 번째로는 기존의 SMU의 구조를 향상시키고, 구현된 신호처리 방법을 적용할 수 있는 양전원을 이용한 I-V 인가 및 측정 시스템을 설계 제작하였다. 그리고 실험 및 검증은 0.01% 오차를 갖는 저항들과 전자소자 중 비선형의 전기적 특성을 보이는 LED를 이용하여 실험을 하였으며, 제안한 회로와 신호처리방식을 적용할 때 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. LED를 이용한 실험은 LED 생산 시 측정하는 항목인 역방향전류(IR), 역방향 전압(VR), 순방향전압(VF1, VF2, VF3)에 적용하였으며, 실험 결과에서 IR 측정 시에는 0.043 %, VR 측정 시에는 0.0207%, VF1 측정 시에는 0.0444%, VF2 측정 시에는 0.017%, VF2 측정 시에는 0.0181% 로 평균 0.02864%의 오차율이 관찰되어 제작한 시스템의 성능을 확인할 수 있었다.