基于外圍設備互連總線在儀器領域的功能擴充系統(tǒng)的低成本射頻放大器芯片測試方案與實現(xiàn)

摘要： 方案采用外圍設備互連總線在儀器領域的功能擴充（PXI）射頻RF模塊搭建成一套射頻并行測試系統(tǒng)，實現(xiàn)一款采用融合架構(gòu)的集成化射頻放大器芯片的最終測試，解決了測試成本高，測試不穩(wěn)定等問題；同時提出了一些射頻測試的方法用來加快測試效率.最終測試結(jié)果表明，該方案的測量結(jié)果與測量要求一致，同時又降低了測試成本，具有一定的應用前景和實用價值.

關(guān)鍵詞：

外圍設備互連總線在儀器領域的功能擴充； 射頻放大器； 自動化測試； 并行測試； 最終測試； 自動化測試設備

中圖分類號： TN 407文獻標志碼： A文章編號： 10005137（2018）02019807

The development and implementation of low cost radio frequency

amplifier chip test solution based on PXI system

Yang Zhen1，2

（1.School of Information Science and Technology，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China；

2.Wireless Test and Measurement Department，Cobham Wireless Technology Shanghai Co.， Ltd.，Shanghai 200021，China）

Abstract：

This solution is to build a set of radio frequency （RF） parallel test system with PCI extension for instrument （PXI） RF module，and realize the final test of fusion architectural and integrated RF amplifier chip.It can solve the high cost and instability of test at the same time.It also put forward some RF test methods to increase the test efficiency.The results show that the measurement results of the solution are consistent with the measurement requirement，meanwhile the solution reduces the testing cost and has certain application prospect and practical value.

Key words：

PCI extension for instrument； radio frequency amplifier； automatic test；parallel test； final test； automatic test equipment

收稿日期： 20180130

基金項目： 國家自然科學基金（N61571135）

作者簡介： 楊禎（1989-），男，工程師，主要從事電源管理、存儲器、射頻器件方面的研究.Email：skgallen@foxmail.com

引用格式： 楊禎.基于外圍設備互連總線在儀器領域的功能擴充系統(tǒng)的低成本射頻放大器芯片測試方案與實現(xiàn) [J].上海師范大學學報（自然科學版），2018，47（2）：198-204.

Citation format： Yang Z.The development and implementation of low cost radio frequency amplifier chip test solution based on PXI system [J].Journal of Shanghai Normal University （Natural Sciences），2018，47（2）：198-204.

射頻功率放大器是無線通訊系統(tǒng)發(fā)射端最關(guān)鍵的部件之一，由于通訊芯片的發(fā)射級電路出來的射頻信號功率非常小，必須加入射頻放大器才能使信號反饋到天線上輻射出去[1].大部分射頻放大器芯片都支持多種調(diào)制模式、工作頻率和工作模式，導致射頻測試非常復雜，因此對于射頻芯片的測試非常必要.另外，射頻類芯片測試成本越低，帶來的效益也越大[2].本文作者基于外圍設備互連總線在儀器領域的功能擴充 （PXI）板卡結(jié)合自動化測試設備 （ATE），實現(xiàn)一種多顆射頻芯片并行測試的方案，解決了測試時間長，測試設備費用高等問題.

1芯片測試情況說明及測試要求

1.1待測芯片介紹

圖1是待測芯片的基本工作結(jié)構(gòu)，該芯片由兩顆不同頻率的射頻功率放大器單元（PA），一顆射頻開關(guān)器單元（SP8T）和一顆CMOS控制器單元組成.其中工作頻率為825～2 025 MHz，支持Global System for Mobile（GSM）系統(tǒng)、Digital Communication系統(tǒng)（DCS），Personal Communication系統(tǒng)（PCS），Time DivisionSynchronous Code Division Multiple Access（TDSCDMA）系統(tǒng)，Long Term Evolution（LTE）系統(tǒng).由于采用融合架構(gòu)，待測芯片有巨大的尺寸和成本優(yōu)勢，可以被廣泛用于智能手機、智能手表、物聯(lián)網(wǎng)設備等需要無線通訊的設備中.為了減小芯片尺寸，采用晶圓級晶片尺寸封裝.該芯片一共有16根管腳，其中TX_HB_IN和TX_LB_IN為輸入管腳，ANT為輸出管腳，VCC和VBATT為電源管腳，BS2/BS1/VRAMP/VMODE/TXEN為輸出管腳，TRX1到TRX6為開關(guān)管腳，如圖2所示.

圖2芯片封裝管腳圖

1.2芯片測試方案選擇

從方案價格方面考慮，能提供PXI模塊[3]的廠家很多，數(shù)字測量部分只需ATE的基本功能即可.軟件方面，NI LABVIEW，NI TestStand，MicrosoftVS2010等均可在其平臺上實現(xiàn)功能，非常靈活[4-5].另外，PXI模塊測量精度高，速度快，其自帶專用射頻測量算法比通用ATE的測量模式更先進.綜合考慮，最終選擇基于PXI測試方案作為量產(chǎn)方案.

2射頻硬件方案開發(fā)與實現(xiàn)

2.1射頻測量部分測試硬件介紹

本方案的射頻測量部分采用PXI射頻信號產(chǎn)生模塊3026、PXI射頻信號采集模塊3035、PXI射頻信號切換模塊DRPM、PXI射頻信號分離模塊和PXI射頻多路開關(guān)模塊2544.為了節(jié)約成本，本方案選用兩個工位并行的測試架構(gòu).其架構(gòu)思路是先由射頻信號產(chǎn)生模塊發(fā)射一個放大信號，然后通過射頻信號分離模塊把信號分隔成兩路，并衰減成需要的信號進入芯片的輸入端，接著芯片從輸出端發(fā)送一個放大的信號，通過多路開關(guān)模塊后，進入射頻采集模塊，如圖3所示.

硬件測量方面，由于射頻采集模塊一次只能采集一路信號，兩個工位同時測試時，只能用射頻開關(guān)控制切換測量，所以這個部分是串行工作的.另外，這里需要測量諧波，所以在芯片輸出端之前加入一個濾波盒，濾去多余波.

測試負載板方面，因為TRx1到TRx6端口太多，負載板上需增加一個射頻切換器，減小系統(tǒng)復雜度.負載板設計方面，需要對于射頻地和數(shù)字地分開處理，減小干擾.

2.2數(shù)字測量部分測試硬件介紹

本方案的數(shù)字部分采用ATE系統(tǒng)實現(xiàn)，ATE連接PXI板卡示意圖如圖4所示.PXI射頻信號產(chǎn)生模塊3026的觸發(fā)口連接ATE控制板卡的端口PFI0，PXI射頻信號采集模塊3035連接ATE控制板卡的一個端口PFI1，最后通過ATE的輸出向量控制PXI模塊[6].待測芯片與ATE供電板卡的連接示意圖如圖5所示.圖5中J5，J3為ATE的測試負載板供電通道.如圖6所示，待測芯片與ATE數(shù)字測量板卡連接示意圖.圖中J9為ATE的測試負載板的數(shù)字通道，其中VC1/VC2/VC3是測試負載板上一個射頻切換器的控制通道.

2.3射頻系統(tǒng)的校準

在射頻系統(tǒng)中硬件都存在微小的信號損耗，這些損耗會導致射頻測試結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以在測試前需要對整個系統(tǒng)進行校準.首先，把PXI射頻信號產(chǎn)生模塊和PXI射頻信號采集模塊用連接器相連，PXI射頻信號產(chǎn)生模塊提供一個固定功率給采集模塊，計算實際采集值與發(fā)射功率之差作為系統(tǒng)內(nèi)部損耗.接著用功率計（測量射頻功率的專用儀器）連接射頻信號產(chǎn)生模塊，信號產(chǎn)生模塊發(fā)射一個固定功率，功率計采集值和信號產(chǎn)生模塊發(fā)射功率值之差作為通路導線和元器件損耗[7].然后分別把測試評估板和量產(chǎn)測試板放入測試系統(tǒng)中進行測量，所得到的測量值之差就是量產(chǎn)測試板中測試蓋帶來的損耗.最后分別記錄這些損耗值，以便后續(xù)測量項中進行損耗補償.

3射頻測試方法介紹

3.1射頻諧波測試方法

本方案的射頻測試需要測試二次諧波和三次諧波.如圖4所示，測量項目的線路是經(jīng)過濾波器的ANT端到2544的ch0口，這部分內(nèi)部沒有濾波單位直連通路.當需要測量二次諧波時候，芯片輸出信號

的線路經(jīng)過濾波器的HB端（濾去基波） 到2544的ch2口，最終測量的功率為二次諧波功率.當需要測量三次諧波時候，芯片輸出信號的線路是經(jīng)過濾波器的LB端（濾去基波和二次諧波）到2544的ch1口，最終測量的功率為三次諧波功率.

3.2最大飽和功率和增益測試方法

射頻測試中的飽和輸出功率指的是當射頻放大器輸出功率隨輸入功率增加到非線性工作區(qū)時，輸

出功率不再線性增加情況下的功率，它是衡量射頻放大器性能的一個重要指標[8].在高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）模式下，只需提供固定的輸入功率Pin，然后用射頻采集模塊測量對應的輸出功率Pout.在其他模式下，需要提供一個參考輸出功率，信號源從最低輸入功率開始進行掃描測試輸出功率，再與參考功率進行比較，得到飽和功率.其通常步驟是：

1）根據(jù)工作模式和待測輸出波形，提供一個參考輸出功率Pref.

2）輸入Pin，射頻測量出對應的Pout，并與Pref比較.當Pout-Pref< 0.1 dB，Pout即為最大飽和功率.反之，在原輸入功率基礎上增加一個固定步進s=0.1 dB，依次循環(huán)，直到求出飽和功率.

上述算法優(yōu)點是測試的精度高，缺點是固定的步進掃描會導致測試時間變長.為了減少測試時間，本方案采用非固定的步進算法，其步驟是：

1）當Pout-Pref>3 dB時，設置s=1 dB；當Pout-Pref<1 dB時候，設置s=0.1 dB；當1 dB≤Pout-Pref≤3 dB時，設置s=0.5 dB；

2）依次循環(huán)，測出最大飽和功率.

最終得到最大飽和功率和輸入功率之差就是增益Gain.

3.3功率附加效率測試方法

功率附加效率指的是射頻放大器工作時候輸入功率到輸出功率的損耗功率[9].在本方案中，其計算公式為：

PAE=（Pout-Pin）/Pdc=（Pout-Pin）/（Udc×Idc），（1）

其中，Pdc為工作功率，Udc為工作電壓，Idc為電流.

3.4插入損耗測試方法

插入損耗指的是信號在傳輸過程中通過器件產(chǎn)生的損耗.在本方案中插入損耗主要測量功率放大器發(fā)射端到射頻切換器單元之間通路的損耗，其計算公式如下：

IL=-10lg（Pout/Pin）.（2）

由于測試系統(tǒng)中有損耗誤差，所以實際的插入損耗應該減去系統(tǒng)的損耗值[10].

3.5漏電流測試方法

漏電流測試指的是在芯片不工作或者結(jié)束工作的情況下，測量其管腳的電流值.因為射頻放大器芯片主要運用于移動設備中，對功耗非常敏感，一般產(chǎn)生的功耗越小越好，所以測試漏電流是必要的.在本方案中主要用ATE數(shù)字板卡測試管腳的漏電流，為了保證對功耗進行控制，在芯片工作開始前和芯片工作結(jié)束后需要分別測量一次漏電流.

3.6測試數(shù)據(jù)分析

表1為部分關(guān)鍵測試項目的原始測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果均在芯片標準值范圍內(nèi)，符合測試要求.由于射頻測試板和測試蓋都會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，所有最后對原始數(shù)據(jù)進行相應的補償就可以得到最終準確數(shù)據(jù).最終單個工位的測試時間為465.8 ms，兩個工位并行的測試時間為538.6 ms，結(jié)果表明系統(tǒng)可以正常工作且測試所花費時間較少.

4總結(jié)

針對目前多模射頻功率放大器測試成本高，測試復雜度高等問題，提出一種基于PXI的低成本自動化測試方案，實現(xiàn)多顆芯片的并行測試.該方案在軟件開發(fā)過程中，對測試方法進行了優(yōu)化處理；在硬件開發(fā)過程中，設計了專用測試硬件.經(jīng)測試表明，該方案降低了測試的費用，提高了測試效率，系統(tǒng)架構(gòu)的可移植性高，具有一定的應用前景和實用價值.

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（責任編輯：包震宇，郁慧）