GaAs 多功能MMIC 在片測試系統(tǒng)設(shè)計

陳金遠(yuǎn)，焦 芳，王逸銘，林 罡

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

GaAs 微波單片集成電路（MMIC）因其良好的微波性能、高可靠性以及體積小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類微波系統(tǒng)。隨著GaAs 工藝集成度的提高，GaAs MMIC 芯片形式也不再局限于低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、衰減器、移相器、開關(guān)等單功能電路，通過工藝集成在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)多種功能的電路設(shè)計、加工技術(shù)日趨成熟。多功能電路對電路設(shè)計、工藝加工、測試能力都提出較高的要求，常規(guī)情況下測試MMIC 不同的功能參數(shù)需要使用不同的專用儀器來完成測量。芯片在片測試需要針對多功能MMIC 測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，實(shí)現(xiàn)一次接觸完成全參數(shù)測試，以減少探針對芯片鍵合點(diǎn)的破壞。

2 多功能MMIC 測試需求分析

圖1 是典型GaAs 多功能MMIC 的集成形式[1]，通過特定工藝將微波電路與數(shù)字邏輯電路集成加工在一塊芯片中，芯片中包含放大器、開關(guān)、衰減器等微波電路，還包括串并轉(zhuǎn)換（SPC）、驅(qū)動器等邏輯電路。

圖1 典型GaAs 多功能MMIC

使用集成有邏輯電路的多功能MMIC 可以有效減少系統(tǒng)尺寸，不同應(yīng)用背景下多功能MMIC 形式與功能不盡相同[2-3]，但包含的子電路單元不外乎傳統(tǒng)單功能電路類型。因此，測試系統(tǒng)同時滿足子電路單元中微波電路與邏輯電路的測量要求即可。

2.1 微波電路測量需求

多功能MMIC 包含的各類子電路測量參數(shù)包含線性參數(shù)、非線性參數(shù)及噪聲參數(shù)。線性參數(shù)主要是指S 參數(shù)，包括各分量的幅度和相位；非線性參數(shù)主要包括電路1 dB 壓縮點(diǎn)、飽和輸出功率、工作效率等；噪聲參數(shù)主要指噪聲系數(shù)。測試系統(tǒng)頻率需求覆蓋至毫米波頻段，另外在測試通道上具備可擴(kuò)展能力。

2.2 邏輯電路測量需求

邏輯電路測量需求主要包括邏輯輸入的驅(qū)動能力需求和邏輯輸出電平的檢測需求。系統(tǒng)需要提供的驅(qū)動信號和檢測信號包含串行、并行兩類。同時，多功能MMIC 的高度定制化要求決定了邏輯信號驅(qū)動與檢測在時鐘頻率、時序及電平等方面靈活可定義。

綜合分析現(xiàn)有GaAs 多功能MMIC 產(chǎn)品各子電路，系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)可概括為如表1 所示。

表1 測試系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

3 測試系統(tǒng)設(shè)計

3.1 微波測量設(shè)計

表2 中給出了GaAs 多功能MMIC 產(chǎn)品各項(xiàng)參數(shù)在片測試需要使用的專用測量儀器。

表2 微波測量參數(shù)對應(yīng)所需儀器

系統(tǒng)若采用以上多種測量儀器集成方式，需引入多微波開關(guān)、接頭、電纜等測試附件，給測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加了不確定性。

PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試能力可以同時滿足表2 中微波參數(shù)的測量需求，可以單次連接進(jìn)行S參數(shù)、功率和噪聲的測量，支持變頻類器件的參數(shù)測試[4]。因此將PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測試平臺的微波參數(shù)測試儀器可以有效簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 為采用PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的多功能MMIC 在片測試系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)中未使用信號源、頻譜儀、噪聲系數(shù)分析儀，功率計也僅作為系統(tǒng)功率校準(zhǔn)使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能精簡。

圖2 采用PNA-X 的多功能MMIC 在片測試系統(tǒng)框圖

GaAs 器件在非線性工作狀態(tài)下工作電流表現(xiàn)頻率特性，在信號源與功率計結(jié)合的測試方法中可以采用電源讀取或串接電流表的方法直接獲得工作電流。在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行壓縮或飽和狀態(tài)掃描測量時，其掃頻速度與電源電流采集速度難以匹配，需要設(shè)計電流采集電路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行同步電流采集[5]，系統(tǒng)采用的優(yōu)化采集方法如圖3 所示。

圖3 利用采集電路進(jìn)行工作電流采集

在電源Force 端串接探測電阻（Rs），當(dāng)電流經(jīng)過探測電阻時，在電阻兩端產(chǎn)生電壓V1、V2經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后，提供給網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置電壓表（AI1、AI2）。當(dāng)采集電流較小時，可以調(diào)整電阻Rs大小或調(diào)整運(yùn)算放大器增益（G）來降低測量誤差，得到待測電路的工作電流：

3.2 邏輯驅(qū)動與測量設(shè)計

常規(guī)邏輯驅(qū)動與測量解決方案需要函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀、示波器、萬用表等，這種基于臺式分立儀器的系統(tǒng)架構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，但總體成本高，通道資源少，靈活性不足，不易維護(hù)。

PXI 系統(tǒng)提供了一個基于PC 的高性能測試平臺，基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以在不同廠商硬件之間兼容互換使用，這給測試系統(tǒng)集成提供了便捷，PXI 模塊化儀器可以滿足測試需求[6]。

3.2.1 串行信號的驅(qū)動與檢測

采用數(shù)字I/O 模塊替代臺式儀器中的函數(shù)發(fā)生器、示波器等，單模塊可以實(shí)現(xiàn)32 通道的串行輸出或輸入信號的頻率、幅度檢測，同時滿足待測電路的串行驅(qū)動和輸出信號的檢測需求。

串行信號的采集與判斷需要同步信號為時間基準(zhǔn)，多功能MMIC 的串行輸出信號檢測需要確定時間參考。針對輸出參考時鐘（CLK）端口缺失情況，系統(tǒng)統(tǒng)一采用輸入時鐘信號作為參考基準(zhǔn)。串行輸出信號經(jīng)過電路和傳輸線后相對輸入信號存在時延Δt，如圖4所示，當(dāng)時鐘頻率提高后Δt 與時鐘半周期T/2 相當(dāng)時，串行信號檢測會出現(xiàn)錯誤結(jié)果輸出。在控制程序中通過高時鐘信號檢測進(jìn)行迭代運(yùn)算，獲得最優(yōu)時延Δt 與對應(yīng)MMIC 測試匹配，消除因時延誤差引起的錯誤結(jié)果輸出。

圖4 串行輸入、輸出信號時間關(guān)系

3.2.2 并行信號的驅(qū)動與檢測

采用模塊化模擬輸出儀器替代臺式儀器中的多路開關(guān)控制單元，單模擬輸出模塊可支持32 位模擬電壓獨(dú)立輸出，輸出電壓±10 V 范圍可定義，可以同時滿足HEMT 及PIN 類微波控制電路的驅(qū)動信號需求。

采用數(shù)據(jù)采集卡替代用于并行輸出電壓檢測的電壓表等臺式儀器，選用差分電壓采集模式，可以有效抑制共模干擾，保證電壓測量精度。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用PXI 模塊化儀器集成邏輯驅(qū)動、測試部分，與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電源、探針臺實(shí)現(xiàn)完整的GaAs 多功能MMIC 在片測試系統(tǒng)。

圖5 為多功能MMIC 測試矢網(wǎng)顯示界面，采用毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀滿足2～40 GHz 頻率需求，各項(xiàng)測試參數(shù)在同一校準(zhǔn)狀態(tài)下采用內(nèi)部通道切換優(yōu)化測試速度。線性S 參數(shù)通道同步顯示和采集靜態(tài)工作電流，在功率與壓縮特性測試通道同步顯示和采集動態(tài)工作電流。

圖5 多功能多通道測試界面

圖6 顯示串、并行信號的電平輸出和檢測設(shè)置，對串行信號頻率、時鐘以及輸出通道數(shù)可以自定義設(shè)置，滿足了表1 中多功能MMIC 的邏輯驅(qū)動和測試要求。

圖6 串并行信號驅(qū)動和檢測設(shè)置

圖7 為典型串行信號檢測時域波形顯示，行0 為輸入時鐘信號，行1 為輸入數(shù)據(jù)信號，行2 為輸出數(shù)據(jù)信號，延時Δt 設(shè)置保證串行信號檢測同步。

圖7 串行輸出信號波形顯示

圖8 給出在片測試平臺幅度、相位穩(wěn)定性驗(yàn)證結(jié)果，在整個驗(yàn)證頻帶內(nèi)，測試平臺的整體幅度穩(wěn)定性為0.1 dB，相位穩(wěn)定性為1°，另外并行輸出電平檢測精確到1 mV，測試能力滿足系統(tǒng)要求。

圖8 測試系統(tǒng)幅相穩(wěn)定性驗(yàn)證

5 結(jié)論

綜上所述，基于PXI 的模塊化儀器與PNA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀的GaAs 多功能MMIC 在片測試系統(tǒng)設(shè)計滿足使用要求，系統(tǒng)平臺的幅度穩(wěn)定性、相位穩(wěn)定性、并行輸出電平檢測精確度等可以保證測試可靠性，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。