低噪聲放大器的自動(dòng)測(cè)試開發(fā)

張凱虹，蘇　揚(yáng)，武乾文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第58研究所，江蘇無錫 214035）

低噪聲放大器的自動(dòng)測(cè)試開發(fā)

張凱虹，蘇揚(yáng)，武乾文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第58研究所，江蘇無錫 214035）

如何快速又精確地輸出低噪聲放大器的測(cè)試值并使測(cè)試值符合測(cè)試規(guī)范是研究重點(diǎn)?；诙鄠€(gè)測(cè)試儀器對(duì)低噪聲放大器的特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試開發(fā)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成S參數(shù)的測(cè)試，噪聲測(cè)試儀完成噪聲系數(shù)測(cè)試，信號(hào)源與頻譜儀配合完成三階交調(diào)交叉點(diǎn)測(cè)試，信號(hào)源與功率計(jì)配合完成1 dB增益壓縮點(diǎn)測(cè)試。通過GPIB或TCP/IP實(shí)現(xiàn)儀器通信，使用計(jì)算機(jī)編程對(duì)整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，最后將測(cè)試結(jié)果返回計(jì)算機(jī)并顯示，測(cè)試結(jié)果符合規(guī)范。實(shí)驗(yàn)證明，在實(shí)際應(yīng)用中該方法快速精確并具有很好的通用性，可拓展到其他芯片的測(cè)試。

低噪聲放大器；S參數(shù)；噪聲系數(shù)

1　引言

低噪聲放大器需要提供高增益與低噪聲，成為芯片測(cè)試的一大挑戰(zhàn)，主要原因是低噪聲放大器的測(cè)試參數(shù)眾多，使用的測(cè)試儀與附件多，儀器設(shè)置復(fù)雜[1]，在生產(chǎn)環(huán)境下高效、準(zhǔn)確地對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行測(cè)試存在的問題主要是高增益與低噪聲，而兩者是相互矛盾的[2]。

對(duì)于其他類型的芯片，國(guó)外的測(cè)試生產(chǎn)商通常的方法是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用專門的臺(tái)式儀器對(duì)被測(cè)器件（DUT）使用多種方法進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)評(píng)估芯片正常時(shí)將評(píng)估板連接到自動(dòng)測(cè)試機(jī)柜上進(jìn)行測(cè)試。最后使用生產(chǎn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）對(duì)器件進(jìn)行一系列溫度和電源電壓方面的測(cè)試。但對(duì)于低噪聲放大器而言即使在試驗(yàn)階段評(píng)估電路測(cè)試正常，在生產(chǎn)階段也進(jìn)行全參數(shù)測(cè)試。

本文通過把ATE與專用測(cè)試儀器相結(jié)合，搭建了一套測(cè)試平臺(tái)，對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行全面測(cè)試；通過對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，達(dá)到了很好的效果。

2　測(cè)試難點(diǎn)

2.1測(cè)試指標(biāo)

低噪聲放大器的測(cè)試指標(biāo)通常包括增益、VSWR、IP3、NF等。

2.2測(cè)試設(shè)備

低噪聲放大器要求的測(cè)試資源多，并需要很強(qiáng)的分析軟件和處理能力，單靠自動(dòng)測(cè)試設(shè)備ATE無法完成。由于低噪聲放大器測(cè)試指標(biāo)高，選用儀器指標(biāo)必須要求更高。

2.3工作頻率

低噪聲放大器工作頻率達(dá)GHz以上，高頻測(cè)試會(huì)帶來一系列的問題，例如信號(hào)的串?dāng)_、衍射、畸變等，對(duì)測(cè)試的部件包括插座、電纜、PCB等要求較高。

3　LNA參數(shù)與測(cè)試方法

3.1S參數(shù)

S參數(shù)的測(cè)試指標(biāo)包括增益 (S21)，輸入回波損耗(S11)，輸出回波損耗(S22)，工作頻段。測(cè)試示意圖如圖1所示。

增益（S21）測(cè)試是P1端口輸出功率給DUT，P2端口測(cè)量DUT的輸出功率，S21=P2（測(cè)量功率）-P1（輸出功率）。輸入回波損耗(S11)測(cè)試是通過P1端口輸出功率，P1端口測(cè)量DUT輸入端口反射回來的功率，S11= P1（測(cè)量功率）-P1（輸出功率）。輸出回波損耗(S22)測(cè)試是通過P2端口輸出功率，P2端口測(cè)量DUT輸出端口反射回來的功率，S22=P2（測(cè)量功率）-P2（輸出功率）。工作頻段測(cè)試是通過平均增益減少3 dB得到工作頻段截止增益，從S參數(shù)中讀取截止增益對(duì)應(yīng)的起止頻率，得出工作頻段。

圖1　S參數(shù)測(cè)試示意圖

測(cè)試前先將測(cè)試組網(wǎng)的S參數(shù)校準(zhǔn)完成，校準(zhǔn)至DUT夾具的輸入、輸出端口。測(cè)試S參數(shù)時(shí)選擇功率大小為-15 dBm，保證DUT工作在小信號(hào)線性區(qū)域，測(cè)試頻段選擇2～25 GHz。S11、S22為矢網(wǎng)直接讀出的數(shù)據(jù)，S21最終測(cè)試結(jié)果還需補(bǔ)償整個(gè)夾具的損耗。

3.2噪聲系數(shù)

采用Y因數(shù)測(cè)量法，在DUT輸入端接標(biāo)準(zhǔn)噪聲源，噪聲源工作在冷態(tài)(OFF)和熱態(tài)(ON)兩種工作方式下，測(cè)試兩種狀態(tài)下DUT輸出的噪聲Noff、Non。Y因數(shù)=Non/Noff，噪聲F=ENR/（Y-1）。噪聲儀自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，并將噪聲F換算為噪聲系數(shù)NF。測(cè)試低噪聲系數(shù)器件選用ENR較小的噪聲源測(cè)試更準(zhǔn)確。

測(cè)試中使用兩個(gè)噪聲源進(jìn)行測(cè)試，噪聲源1工作頻率為10 MHz～18 GHz，ENR 6 dB，噪聲源2工作頻率10 MHz～26.5 GHz，ENR 15 dB，測(cè)試6～18 GHz頻率使用噪聲源1進(jìn)行測(cè)試，19 GHz、20 GHz使用噪聲源2進(jìn)行測(cè)試。噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果再減去夾具輸入端引入的噪聲惡化值，即NF(DUT)=NF(噪聲儀讀數(shù))-夾具輸入端損耗。

圖2　噪聲系數(shù)測(cè)試示意圖

3.3三階交調(diào)交叉點(diǎn)

三階交調(diào)交叉點(diǎn)是理論計(jì)算出的功率，信號(hào)源1頻率(f1)與信號(hào)源2頻率(f2)存在一定間隔，在2 f2-f1和2 f1-f2兩個(gè)頻率點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)三階交調(diào)產(chǎn)物，兩個(gè)信號(hào)源功率相同。三階交調(diào)產(chǎn)物增加的比例是DUT增益的3倍，功率計(jì)得到的是兩個(gè)信號(hào)源的功率，因此單個(gè)信號(hào)源的功率為功率計(jì)功率-3 dB；頻譜儀可以直接讀取到三階交調(diào)大小，IMD3。計(jì)算公式為：

圖3　OPI3測(cè)試示意圖

測(cè)試方法如圖3所示，測(cè)試中信號(hào)源1輸入電平為-12 dBm，信號(hào)源2功率進(jìn)行微調(diào)，保證兩個(gè)信號(hào)源功率相同，從頻譜儀截圖中可以查看到兩個(gè)信號(hào)的大小相同。兩個(gè)信號(hào)源頻率間隔100 MHz。使用矢網(wǎng)對(duì)耦合器耦合口和DUT輸出端之間的損耗進(jìn)行校準(zhǔn)，計(jì)算時(shí)將此損耗和夾具輸出端損耗補(bǔ)償?shù)接?jì)算結(jié)果中，得到最終OIP3。

3.41 dB增益壓縮點(diǎn)

隨著輸入信號(hào)的增大，DUT的輸出功率會(huì)接近飽和，增益壓縮，當(dāng)增益壓縮1 dB時(shí)的輸出功率就是1 dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率(P-1out)，

測(cè)試方法如圖4所示。測(cè)試前先對(duì)功率計(jì)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，使用矢網(wǎng)對(duì)DUT輸出線纜進(jìn)行校準(zhǔn)，損耗為(Lout)。使用信號(hào)源先輸出-12 dBm的小信號(hào)，此時(shí)記下功率計(jì)功率Ps，小信號(hào)增益=Ps-(-12)；然后增大信號(hào)源功率，直到增益下降為：小信號(hào)增益-1，此時(shí)的輸出功率即1 dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率（P-1）。

圖4　1dB增益壓縮點(diǎn)測(cè)試示意圖

3.5測(cè)試補(bǔ)償方法

補(bǔ)償?shù)哪康氖墙档陀蓽y(cè)試夾具、同軸電纜等引入的測(cè)試誤差。本文的LNA由于測(cè)試精度高，采用了TRL校準(zhǔn)方法，使用了兩套評(píng)估板，一套評(píng)估板的IC去掉用于校準(zhǔn)，另一套進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。校準(zhǔn)的步驟參考文獻(xiàn)[3]。

4　測(cè)試方案與實(shí)現(xiàn)

4.1軟硬件方案

測(cè)試采用ATE與外接專用儀器結(jié)合的方法，同時(shí)解決測(cè)試指標(biāo)和測(cè)試設(shè)備問題。連接的具體方法如圖1至圖4所示。

軟件采用ATE自帶的軟件，采用VB或VC編程方式，VB或VC可實(shí)現(xiàn)對(duì)外接專用儀器的程控，同時(shí)可完成由ATE測(cè)試的LNA的其他參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程一鍵操作。

需要注意的是測(cè)試的DUT需設(shè)計(jì)為高頻多層接口板，繪制中考慮布局、布線的相關(guān)技術(shù)，考慮信號(hào)完整性問題，連接器件采用高頻連接端子，避免干擾與衰減。將安裝好未放置器件的電路板通電連接到信號(hào)分析儀，當(dāng)信號(hào)分析儀上雜散信號(hào)少或沒有時(shí)說明電路板制作合格。這樣可解決高頻工作問題。

4.2測(cè)試實(shí)現(xiàn)

本文進(jìn)行的是LNA的四溫電測(cè)試，其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用的是N5244A，噪聲測(cè)試儀使用的是8957A，信號(hào)源是Textronix E8257D，頻譜儀使用的是Agile N9020A，功率計(jì)使用的是E4416，熱流罩使用的是TP4310。

4.3測(cè)試結(jié)果與分析

該方法最大的特點(diǎn)就是快速準(zhǔn)確，測(cè)試結(jié)果以TXT格式輸出，一目了然。

圖5是噪聲系數(shù)四溫測(cè)試結(jié)果，-597.9 V/μs；圖6是20 GHz OPI3測(cè)試結(jié)果，圖7是輸出回波損耗，測(cè)試值為0.256%。從圖中可見，被測(cè)LNA的測(cè)試結(jié)果很好，符合器件規(guī)范要求。

圖5　噪聲系數(shù)四溫測(cè)試結(jié)果

圖6　20 GHz OPI3測(cè)試圖

圖7　S11測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)論

該測(cè)試方法可很好地應(yīng)用到LNA的試驗(yàn)階段和生產(chǎn)階段，系統(tǒng)占地少、無其他配套設(shè)施和輔助設(shè)備，所以其運(yùn)行成本基本上就是專業(yè)儀器的折舊費(fèi)和人工成本，測(cè)試成本比較低。它不僅用于DDS新品的測(cè)試和要求嚴(yán)格場(chǎng)合的二次測(cè)試，還可以對(duì)其他ADC和DAC產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。

該通用性的實(shí)施辦法是制作測(cè)試高頻多層DUT接口板即可。而高頻多層DUT接口板是該測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試成本最低的部分。它的通用性還表現(xiàn)在通過改變外圍測(cè)試儀器和連接方式可用于其他種類芯片的測(cè)試，即時(shí)域、頻域和調(diào)制域信號(hào)分析。這樣可以提升和拓展該系統(tǒng)，充分使用專用儀器。

由結(jié)果可得出該方法可以快速地對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域和調(diào)制域的分析，還具有很好的實(shí)際應(yīng)用可行性，現(xiàn)該系統(tǒng)已用于DDS芯片的測(cè)試工作。

[1]陳廣聰.低噪聲放大器LNA的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2009.

[2]Joe Kelly,Michael Engelhardt.Advanced Production Testing of RF,SoC,and SiP Devices[M].ARTECH HOUSE,INC.2007.

[3]賀同云，江巖.表面貼裝器件S參數(shù)測(cè)量方法研究[J].電子測(cè)量，2013.

An Automatic Test Method for LNA

ZHANG Kaihong,SU Yang,WU Qianwen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China）

The paper focuses on fast and accurate LNA output method that meets required specifications.The paper analyzes the LNA parameters derived from several test instruments.The vector network analyzer tests S parameters;the noise test device tests noise factor;signal generator and spectrum instrument performs IP3 test; signal generator and power meter completes 1 dB gain compression point test.The whole process is automatic controlled by computer while the instrument communications is via GPIB or TCP/IP.The measurement results displayed in the end meet the specifications.The experiment demonstrates that the automatic test method is fast and precise and application to other IC tests can be expected.

low noise RF amplifier(LNA);S parameters;noise factor

TN407

A

1681-1070（2016）11-0007-03

2016-3-23

張凱虹（1982—），女，山西文水人，碩士研究生畢業(yè)，工程師，研究方向?yàn)榇笠?guī)模集成電路的測(cè)試技術(shù)。