基于C#的功率放大器芯片電流監(jiān)測系統(tǒng)

周守利,莫 皓,顧 磊,程元飛

(1.浙江工業(yè)大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023；2.杭州蕭山技師學院，浙江 杭州 311200；3.上饒師范學院，江西 上饒 334001)

微波無線通信技術(shù)具有通信過程穩(wěn)定、通信容量大、建設速度快、成本低等優(yōu)勢[1]。這些優(yōu)勢使該技術(shù)廣泛應用于軍事領(lǐng)域。作為微波無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，放大器芯片具有特別迫切的需求。按照國家軍用標準GJB 548B即微電子器件試驗方法和程序要求，軍用微電子器件需要保證長時間工作后其性能仍然是可靠的。壽命試驗時間應足夠長，以保證其結(jié)果不具備早期失效的特征，期間還應進行定期觀察，以監(jiān)視失效率是否隨時間有顯著變化。為了在短期內(nèi)獲得正確結(jié)果，就必須加速試驗條件來提供相應的失效概率，以便使該樣本的失效分布能代表整體的潛在失效分布[2]。實時、準確的電流監(jiān)測系統(tǒng)使得研究人員在壽命試驗的過程中清楚地了解芯片性能。

如今自動化系統(tǒng)較多由LABVIEW或者VB語言編寫。LABVIEW使用數(shù)據(jù)流方式編程，因而存在靈活性差的缺點，修改程序很麻煩[3]。VB不支持繼承的編程特性，在大型的系統(tǒng)開發(fā)中會復寫大量代碼，不具備高效性。通常芯片的電性能測試硬件是探針臺，通過壓探針到芯片的PAD點上來獲取試驗數(shù)據(jù)[4]。但是探針臺造價昂貴，并且無法精確地控制溫度，故該方法常用于晶圓的測試上。針對以上不足，開發(fā)搭建功率放大器芯片壽命試驗電流監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件利用C#編寫，面向?qū)ο蟮木幊谭椒ê屠^承的特性大量減少代碼；豐富的控件使人機交互簡單。硬件方面，將芯片通過微組裝技術(shù)裝架到可伐合金的殼體中，利用加熱和超聲能量將金絲焊接到芯片上連接外部電路[5]，將電源通過脈沖板實現(xiàn)脈沖方式供電，將殼體放入高溫箱內(nèi)，保證實驗溫度的準確，避免了探針臺等儀器的使用，大大減少成本。

1 芯片結(jié)構(gòu)與待監(jiān)測電流

待試驗芯片為微波通信系統(tǒng)T/R組件中的功率放大器芯片，具有輸出功率大、效率高、非線性失真小、散熱性好的性能，接收發(fā)射端的匹配阻抗為50 Ω，圖1為該芯片的原理圖。

1,2,3,4—待測漏極電流；5—待測柵極電流。圖1 功率放大芯片原理圖Fig.1 The schematic diagram of power amplifier chips

T/R組件包括一個低躁放芯片主要用于接收并放大微弱信號[6]，一個多功能控制芯片主要用于將串行信號轉(zhuǎn)換為并行信號和控制多功能芯片，一個多功能芯片用于控制信號的移相和衰減以及發(fā)射與接收轉(zhuǎn)換，一個功放芯片主要用于放大信號。信號通過多功能芯片進行移相處理后傳入功率放大器芯片，將信號進一步放大，使該信號的能量達到規(guī)定要求后輸出。往往一個相控陣雷達系統(tǒng)就需要幾十個或更多的T/R組件[7]。T/R組件中的各芯片連接示意圖如圖2所示。

圖2 T/R組件各芯片連接示意圖Fig.2 The image of chips connection in T/R component

在后續(xù)的可靠性壽命試驗中主要針對功率放大器芯片的柵極偏置電流、漏極供電電流進行監(jiān)測。柵極供電用于控制場效應管的導電通道，柵極電流是判斷芯片是否會燒毀的重要指標。漏極供電為信號放大提供能量，可通過漏極電流判斷芯片是否正常工作[8]。

2 硬件系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)整體展示

圖3為硬件系統(tǒng)整體圖。

圖3 系統(tǒng)整體圖Fig.3 The image of whole system

2.2 硬件系統(tǒng)連接

硬件系統(tǒng)主要包括由計算機、脈沖供電板、芯片夾具、直流電源、電源板、通用串行總線、通用接口總線、通用串行總線集線器、射頻信號源及函數(shù)信號發(fā)生器等構(gòu)成的主監(jiān)測系統(tǒng)以及高溫箱等環(huán)境設備。函數(shù)信號發(fā)生器模塊與信號源模塊相連，使信號源輸出脈沖信號，該脈沖信號再通過功分器模塊為多個芯片提供信號。并且函數(shù)信號發(fā)生器模塊也與脈沖板模塊相連，使得電源模塊通過脈沖板后可實現(xiàn)脈沖供電。各模塊組合成一個整體，構(gòu)成一個壽命試驗系統(tǒng)，圖4(a，b)為單個壽命試驗系統(tǒng)圖。

圖4 壽命試驗系統(tǒng)圖Fig.4 The image of life testing system

計算機擔任系統(tǒng)的總指揮，通過通用接口總線與信號源模塊、函數(shù)信號發(fā)生器模塊相連，實現(xiàn)輸入信號的設置，通過多條通用串行總線與多個直流電源模塊相連，實現(xiàn)電流的實時監(jiān)測。圖4(c，d)為多個壽命試驗系統(tǒng)連接圖。計算機同時也存儲與處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，將從電源讀取的數(shù)據(jù)存儲到計算機內(nèi)，并將此數(shù)據(jù)通過圖表形式顯示。

系統(tǒng)選用KEYSIGHT廠商的N5173B作為信號源，該信號源可工作在9 kHz～40 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率可達20 dBm。選用Agilent廠商的33220A(或33250A)函數(shù)信號發(fā)生器提供脈沖，該函數(shù)信號發(fā)生器可產(chǎn)生方波、脈沖波等多種波形，最高頻率可達到20 MHz。

系統(tǒng)主要選用GwinStek公司的GPD-4303S可編程4 通道直流電源供電，該電源具有恒壓輸出模式，電壓輸出范圍在0～30 V之間，滿足系統(tǒng)需要[9]。

2.3 脈沖供電板與電源供電板設計

芯片的工作條件為柵源負偏壓VG：-0.9～-0.7 V，漏源正偏壓VD：+9 V(占空比10%，脈沖寬度120 μs)。圖5為芯片工作條件波形圖。為了達到該工作條件設計脈沖供電板，主要通過一顆脈沖芯片為電源芯片提供相應電平，實現(xiàn)脈沖供電。圖6(a，c)為脈沖板設計圖及電路原理圖。

圖5 芯片工作條件波形圖Fig.5 The waveform of chip working conditions

圖6 脈沖板及供電板圖Fig.6 The image of pulse and power supply PCB

為了提高試驗的效率，節(jié)約高溫箱和電源等試驗的資源，特設計電源供電板。該供電板將12 個芯片的漏極和柵極分別進行并聯(lián)，借此可同時試驗多個芯片。圖6(b，d)就是供電板的設計圖及原理圖。

2.4 測試夾具及外圍電路設計

為適應壽命試驗高溫環(huán)境，使用微組裝技術(shù)將芯片裝入測試夾具中，以此代替使用探針臺的裸片測試方法?？紤]到芯片的實際工作環(huán)境，該夾具需具備耐高溫能力，故選用含鎳29%，鈷17%的硬玻璃鐵基封接合金為材料?？紤]金絲焊接間距等設計要求，夾具長22.6 mm，寬9.4 mm。圖7為測試夾具圖。將芯片上的柵極漏極供電點與夾具上的傳輸線通過金絲焊接相連，再由傳輸線穿過絕緣玻珠與外部電路相連，實現(xiàn)供電[10]。圖8為測試夾具外圍電路圖。

圖7 測試夾具圖Fig.7 The image of test fixture

圖8 測試夾具外圍電路圖Fig.8 The image of peripheral circuit

3 軟件系統(tǒng)組成

3.1 軟件運行流程

軟件運行主要包括兩個線程，主線程用于人機交互，讓使用者可以選擇是否開始監(jiān)測。后臺線程用于執(zhí)行電流的監(jiān)測。圖9為軟件運行流程圖。

圖9 軟件運行流程圖Fig.9 Flow chart of software operation

3.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電流監(jiān)測系統(tǒng)將人工的電流檢查提升為軟件的自動監(jiān)測，監(jiān)測的準確度和實時性與軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是密不可分的。系統(tǒng)主要由3 個部分逐級向下構(gòu)成，包括使用界面、各類儀器驅(qū)動模塊、VISA庫以及.NET庫。圖10為軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖10 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 The image of current monitoring system structure

3.2.1 使用界面

使用界面是用戶直接面對的界面，主要是為了人機交互的實現(xiàn)，包括儀器設置、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲的交互等。圖11為電流監(jiān)測系統(tǒng)的使用界面窗口。

圖11 使用界面窗口圖Fig.11 The image of current monitoring system window

3.2.2 各類儀器驅(qū)動模塊

電流監(jiān)測系統(tǒng)包含各類儀器，例如電源、信號源、函數(shù)信號發(fā)生器等。不同類型儀器功能天差地別，故指令集常常大不相同，但相同類型不同型號的儀器功能相近，故往往存在部分相同的指令集。為減少代碼的復寫，使用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ê虲#繼承的特性以及多態(tài)技術(shù)，將各類儀器封裝成單獨的庫類文件，不同型號的設備則為繼承這些庫類的子類，后續(xù)再調(diào)用。

3.2.3 VISA庫及.NET Framework庫

VISA全稱Virtual instrument software architecture，即虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由VXI plug&play聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標準及其規(guī)范的總稱。虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)提供了應用于儀器編程的標準I/O函數(shù)庫，稱為VISA庫。VISA庫是計算機內(nèi)部的函數(shù)庫，儀器和計算機之間的通信，包括向儀器發(fā)送指令和讀取數(shù)據(jù)等，都依靠VISA庫提供的標準軟件通信接口來實現(xiàn)[11]。

.NET Framework庫是一個由Microsoft .NET Framework SDK中包含的類、接口和值類型組成的庫。該庫提供對系統(tǒng)功能的訪問，是建立.NET Framework應用程序、組件和控件的基礎(chǔ)[12]。例如.NET Framework類庫下的System.Windows.Forms命名空間包含用于創(chuàng)建基于Windows的應用程序類，需要實現(xiàn)一種特定的功能只要聲明相應的命名空間即可。

3.3 軟件系統(tǒng)編寫

3.3.1 用戶使用界面編寫

使用界面的編寫利用較多的C#控件例如Lable和Timer等，通過可視化編程開發(fā)者可將控件拖拽到窗口里，調(diào)整控件的參數(shù)，例如大小、位置等。用戶可以使用這些控件來調(diào)整數(shù)據(jù)存儲路徑，定時查詢時間間隔等。同時使用界面還包括Button和TextBox等控件，由開發(fā)者通過動態(tài)生成的方式添加到窗口中，這些控件將通過判斷接入電源的數(shù)量來相應生成。用戶將通過這些控件來設置儀器的參數(shù)以及控制儀器的輸入輸出。

3.3.2 儀器類庫的編寫

在儀器的類庫編寫中運用C#的繼承特性，用少量代碼實現(xiàn)功能，并可由其他項目調(diào)用。每種儀器類庫都包含子父類繼承關(guān)系，圖12為各儀器類圖。

圖12 各儀器類圖Fig.12 The image of instruments class

電源類儀器類庫將power作為父類，該父類作為一個抽象類并沒有完全實現(xiàn)所有型號電源設備的每一個功能，而是將通用功能寫入方法之中，例如與計算機連接的建立和斷開buildio()/closeio()，指令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的回讀sengmessage()/readmessage()。繼承了父類的子類GPD_4303S，GPD_3303D，E3631A等則完全實現(xiàn)特定型號電源的所有功能，包括電壓與限流的設置，輸出的開啟與關(guān)閉，電壓與電流數(shù)據(jù)的回讀等。這些不同型號的電源雖然有相同的方法名，但方法內(nèi)部則需要根據(jù)相應型號的儀器指令集編寫。信號源和函數(shù)信號發(fā)生器在類庫的編寫上與電源相似。圖13為電源類儀器類圖。程序?qū)⒂脩粼诳丶袀魅氲膬x器地址作為buildio()方法的參數(shù)使得儀器與計算機相連，使用Iset()/Vset()方法設置電源的電壓值以及限流值，使用Itrue()/Vtrue()方法回讀電流與電壓數(shù)據(jù)。最后使用closeio()方法斷開計算機與儀器的連接，將占用的資源釋放。

3.4 各語言對比

在儀器自動化領(lǐng)域內(nèi)最常用的軟件編寫語言是VB，LABVIEW，C#。VB語言是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，但是又不包含繼承的編程特性，往往要復寫大量代碼，開發(fā)效率低[13]，并且VB不支持原生多線程，對于異常的處理不完善也是重要的缺點。LABVIEW采用可視化的編程方法，編程過程中將虛擬儀器進行拖拽組合，采用數(shù)據(jù)流的編程方式，缺點在于這種編程方式導致靈活性較差，不利于深度開發(fā)，當程序出現(xiàn)問題時不便于修改。

本系統(tǒng)使用C#作為軟件的編寫語言是因為C#是最適合.NET開發(fā)的語言，可以說C#是完全為.NET Framework設計的，是移植到其他操作系統(tǒng)上的.NET版本中主要使用的語言。其他語言例如VB在移植到其他操作系統(tǒng)上的.NET版本時將不能完全支持.NET代碼庫的某些功能，至少需要不常見的語法[14]。C#的繼承特性可以將方法、變量等由父類繼承到子類，可以減少代碼的復寫，提高開發(fā)效率。該語言的多態(tài)技術(shù)使得父類引用變量可以指向子類對象，當有子父類關(guān)系時在使用多態(tài)后的父類引用變量調(diào)用方法時會調(diào)用子類重寫后的方法，多態(tài)技術(shù)使得程序更加高效[15]。利用C#的相應類庫可以輕松地使用數(shù)據(jù)庫，使監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲更簡單[16]。

4 監(jiān)測系統(tǒng)評估

以穩(wěn)態(tài)壽命試驗中的2 000 h壽命試驗為例，對電流監(jiān)測系統(tǒng)進行使用評估。GJB 548B規(guī)定軍用微電子器件需經(jīng)過壽命試驗，并滿足該標準的可靠性要求。高溫壽命試驗時間與溫度的關(guān)系可通過阿倫尼斯方程得出，其計算式為

式中：Tnomal為室溫絕對溫度；Tstress為高溫下的絕對溫度；Ea為失效反應的活化能；k為玻爾茲曼常數(shù)；Timefact為設計實際使用時間；Timetest為壽命試驗所需時間[17-18]。

選取兩種試驗進行比較，試驗條件：溫度145 ℃，柵極-0.9 V供電，漏極+9 V脈沖供電。圖14，15分別為20 組系統(tǒng)自動記錄和人工手動記錄的漏極及柵極電流對比?？梢园l(fā)現(xiàn)芯片漏極在脈沖供電的情況下電流呈現(xiàn)高低起伏的變化，并且系統(tǒng)數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，變化的最大值與最小值的數(shù)值接近。由于儀器顯示位數(shù)有限，故人工記錄的柵極電流數(shù)據(jù)以1 mA為間距跳變，而系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)則在一個范圍內(nèi)變化，但兩者的變化范圍均在2 mA以內(nèi)，符合實際情況。通過數(shù)據(jù)的對比可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)準確并且及時，人工記錄一次數(shù)據(jù)大約需要1 min，監(jiān)測系統(tǒng)則只需要40～60 ms，數(shù)據(jù)越多監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)越性將會越明顯。

圖15 第二種電流記錄結(jié)果對比Fig.15 The comparison of second group data

5 結(jié) 論

基于C#的功率放大器芯片電流監(jiān)測系統(tǒng)，針對自主研發(fā)的功率放大器芯片開發(fā)設計。為了解決高溫條件下的電流監(jiān)測需求，利用金絲焊接技術(shù)及外圍電路設計代替了探針臺測試方案。軟件系統(tǒng)綜合了面向?qū)ο缶幊?、動態(tài)界面編程、虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)和串口通信等技術(shù)，實現(xiàn)了儀器的任意設置、多臺儀器同時控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)自動存儲、實時顯示以及異常報警等功能。經(jīng)驗證系統(tǒng)滿足及時性好，準確性高，操作簡單的設計需求，很大程度上減少了人工作業(yè)，通過1 000 h或2 000 h的試驗就能夠驗證10～20 年期間使用的可靠性，提高了試驗的效率。