RF多功能芯片on-wafer評估系統(tǒng)的研究

黃成，文忠鋒，顧世玲

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

在無線通信系統(tǒng)中，TR組件是相控陣?yán)走_的重要組成部分，而射頻多功能一體化收發(fā)芯片是TR組件的重要組成器件。射頻多功能一體化收發(fā)芯片面積小、穩(wěn)定可靠、產(chǎn)品性能一致性好、可量產(chǎn)，基于這些優(yōu)點，多功能芯片廣泛運用，其性能和成本對通信系統(tǒng)有重要影響[1]。因此，芯片不同環(huán)境溫度下性能的準(zhǔn)確評估對收發(fā)系統(tǒng)非常重要。實際評估中，由于多功能芯片工作頻率高，工作狀態(tài)多，測試指標(biāo)多、待分析評估的數(shù)據(jù)量大、評估過程中控制信號狀態(tài)多，因此需要評估系統(tǒng)有較高的可靠性。若采用手動評估方式進行控制信號切換將會非常繁瑣，頻繁操作儀器設(shè)備、手動數(shù)據(jù)保存、現(xiàn)場分析芯片性能將非常費時且易出錯。因此本文根據(jù)某款多功能芯片研究和設(shè)計了一套自動化評估系統(tǒng)。

1 芯片主要指標(biāo)

以某款X波段多功能芯片為例，其功能原理框圖如圖1所示。

圖1 某款X波段器件原理框圖

該款X波段一體化芯片的主要功能為對射頻信號進行幅度及相位控制，并且通過采用兩個單刀雙擲射頻開關(guān)和一個單刀三擲射頻開關(guān)進行通道切換實現(xiàn)接收/發(fā)射一體化。通過控制SW1、SW2、SW3三個開關(guān)實現(xiàn)RF_RX端信號經(jīng)過處理后至RF_COM端輸出、RF_COM端信號經(jīng)過處理后至RF_TX端輸出。

電路信號處理部分主要包含一個6位數(shù)控衰減器、一個6位數(shù)控移相器、2個寬帶放大器、兩個均衡器。數(shù)控衰減器和數(shù)控移相器由獨立的邏輯信號控制，故總共有12路并行邏輯信號來進行幅度和相位控制。其中數(shù)控衰減器的衰減范圍為0～31.5 dB，衰減步進為0.5 dB；數(shù)控移相器的移相范圍為0～354.375 °，移相步進為5.625 °。具體情況見表1～3。

數(shù)控衰減器、數(shù)控移相器和射頻開關(guān)的控制端電平低電平為-5 V，高電平為0 V?？刂菩盘柺歉唠娖綖閰⒖紶顟B(tài)，控制信號是低電平為移相狀態(tài)或衰減狀態(tài)。

芯片主要特性指標(biāo)包含增益、功率壓縮、衰減精度、衰減態(tài)、回損等，如表4所示。

表1 收發(fā)切換控制

表2 移相態(tài)控制

表3 衰減態(tài)控制

表4 電特性表

2 評估原理和方法

讓DUT處于一定的環(huán)境溫度下，評估DUT在不同的收發(fā)態(tài)、以及所有移相態(tài)、衰減態(tài)和其組合態(tài)的工作狀態(tài)功能以及相應(yīng)的指標(biāo)是否滿足要求。

表4中的所有指標(biāo)均可使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試。目前的多功能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀如PNA-X能直接進行S參數(shù)、功率壓縮、三階交調(diào)、噪聲系數(shù)、頻譜等指標(biāo)測試[2]。

芯片評估時首先進行參考態(tài)測試并進行歸一化處理，以參考態(tài)為參考態(tài)進行測試。進行功能和指標(biāo)測試時，芯片一共有8 000多種組合態(tài)。

圖2 評估系統(tǒng)原理框圖

3 評估系統(tǒng)設(shè)計原理

3.1 硬件設(shè)計

圖2為整個系統(tǒng)的測試原理框圖。系統(tǒng)分為上位機部分、USB轉(zhuǎn)IO控制部分、直流電源、電平模塊、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波探針臺。下面一一介紹每個部分的作用。

上位機部分：負責(zé)整個芯片評估系統(tǒng)的有效運行，數(shù)據(jù)存儲等。實現(xiàn)方式為PC機，通過GPIB模塊程控微波探針臺移位，控制微波探針臺給器件提供需要的評估環(huán)境溫度，程控網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試數(shù)據(jù)讀取、保存、通過USB控制USB轉(zhuǎn)IO控制模塊。

USB轉(zhuǎn)IO控制：實現(xiàn)USB接口轉(zhuǎn)IO數(shù)字接口的功能，實現(xiàn)PC機控制多功能芯片。

直流電源：為被測芯片和電平模塊提供電源。

電平模塊：實現(xiàn)IO信號轉(zhuǎn)換成跟DUT相適應(yīng)的電平信號，本設(shè)計主要實現(xiàn)TTL電平轉(zhuǎn)-5 V/0 V控制信號，同時實現(xiàn)給DUT供電和斷電。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：網(wǎng)絡(luò)分析儀用于DUT指標(biāo)測量，存儲數(shù)據(jù)S2P文件或者CSV數(shù)據(jù)。

微波探針臺：用于多功能芯片承載和移位，芯片評估環(huán)境溫度提供。

3.2 軟件設(shè)計

測試軟件主要包含微波探針臺移位、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀狀態(tài)控制和測試結(jié)果讀取、DUT控制態(tài)發(fā)送等，如圖3所示。

首先檢測儀器狀態(tài)，當(dāng)微波探針臺和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀狀態(tài)正常時，則發(fā)送控制命令進行系統(tǒng)初始化設(shè)置，保證微波探針臺、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀處于初始化狀態(tài)，并進行矢量網(wǎng)分絡(luò)分析測量狀態(tài)校準(zhǔn)。然后控制探針臺溫度、探針臺移位，選擇需要測試的die，然后對DUT控制態(tài)執(zhí)行初始化，扎針后發(fā)送不同的控制態(tài)對DUT進行控制，同時讀取對應(yīng)態(tài)狀態(tài)某幾個關(guān)鍵頻點的測試數(shù)據(jù)，與電路對應(yīng)輸出結(jié)果進行比較，當(dāng)結(jié)果與預(yù)期一致時，假設(shè)電路功能正常，會記錄測試數(shù)據(jù)，同時S2P文件會保存在網(wǎng)絡(luò)分析儀存儲器里。當(dāng)測試結(jié)果與預(yù)期不一致時，程序會進行警告，進行分析后會進行下一狀態(tài)確認。同一只DUT測試完所有狀態(tài)后可進行下一只分析評估。

圖3 程序流程圖

圖4 評估系統(tǒng)實物

4 試驗結(jié)果

研制的測試系統(tǒng)如圖4所示。該系統(tǒng)采用Cascade Microtech公司微波探針臺，采用Keysight公司的PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀。上位機采用PC機，上位機操作系統(tǒng)為Windows XP，軟件平臺基于Visual Basic6.0開發(fā)，GPIB程控命令采用SCPI命令。

自動保存收態(tài)或發(fā)態(tài)的4 000多組組態(tài)對應(yīng)的S2P文件軟件代碼如下：

以該款芯片參考態(tài)評估為例：25 °工作溫度下其4～16 GHz頻段的S參數(shù)實測結(jié)果如圖5所示，其中10 GHz處增益為10 dB；16 dB衰減態(tài)測試曲線如圖6所示，10 GHz處衰減量為16.059 dB；11.25 °移相測試結(jié)果如圖7所示，10 GHz處移相10.008 °。

圖5 S參數(shù)實測結(jié)果

圖6 16 dB衰減態(tài)實測圖

圖7 11.25 °移相實測圖

5 總結(jié)

本文研制的多功能芯片on-wafer級評估系統(tǒng)具有較大的實用性，評估效率高，減少評估人員的頻繁操作。同時自動保存不同溫度下芯片不同狀態(tài)下的評估數(shù)據(jù)，方便后期分析。同時，本系統(tǒng)軟件代碼進行少部分更改，可直接用于多功能芯片的量產(chǎn)測試。