陳金遠，李智群，錢 峰，焦 芳

（1. 南京電子器件研究所，南京 210016；2. 東南大學集成電路工程學院，南京 210096）

1 引言

附加效率作為功率放大器的一項重要性能指標，一直受到廣大器件設計者及使用者的重點關注。脈沖功率放大器測試技術經(jīng)過近幾年的發(fā)展，逐步形成一套穩(wěn)定的測試模式和測試方法。通過前期的工作，我們對功率放大器單片進行脈沖在片測試能夠提供的測試參數(shù)包括線性增益、相位、輸入駐波、靜態(tài)電流和飽和狀態(tài)下的輸出功率、相位、輸入駐波等參數(shù)[1]，從功率單片全參數(shù)測試方面看，此方法并不能反映放大器芯片效率情況, 因此相關測試技術有待完善。

為了更全面地反映功率單片性能，開展如何進行在片脈沖功率測試掃頻下的動態(tài)電流測試研究是很有必要的，也是效率測試的關鍵。

2 常見測試方法

以下分析幾種常見動態(tài)電流測試方法，試圖尋找一種合適的測試方法用于功率單片在片生產(chǎn)測試應用環(huán)境，它需要具備穩(wěn)定性高、精度高以及速度快的基本優(yōu)勢。

2.1 電源直接讀取

采用信號源與功率計可以直接測試放大器效率，其測試方法如圖1所示。

圖1 直流電源直接讀取方法

這種測試方法廣泛應用于放大器連續(xù)波測試，也常見于脈沖狀態(tài)下的效率測試，在脈沖狀態(tài)下讀取的電流值為測試頻點下的平均電流，測試精度較高。此方法應用于脈沖連續(xù)掃頻狀態(tài)下的快速測試，存在兩個問題：首先難以實現(xiàn)電流采集與掃頻同步，其次脈沖狀態(tài)下讀取電流值為平均電流，讀取的電流包含電源調(diào)制電路的電流，測試精度還會受測試占空比等測試條件的影響。

2.2 利用電流探頭與示波器采集動態(tài)電流

為了實現(xiàn)脈沖下的精確電流測試，去除電源脈沖調(diào)制模塊電流引入的誤差，在圖1的方法上進行改進，引入電流探頭直接讀取待測件的工作電流，測試方法如圖2所示。

圖2 利用電流探頭采集工作電流

這種改進后的方法可以直接采集到器件的工作電流，提高電流測試精度，是解決脈沖工作電流測試的有效解決方案，這種測試方法解決了脈沖電流采集問題，但涉及電源、示波器、信號源以及功率計各儀器間的通信速度和頻率同步切換，成為快速測試的制約項。因此以上兩種最常用的測試方法不適用于在片脈沖放大器的生產(chǎn)測試，不具備工程應用價值。

3 基于PNA-X的效率測試方法

基于PNA-X的脈沖功率放大器測試是目前行業(yè)內(nèi)最快的放大器測試方法之一，在PNA-X系列矢量網(wǎng)絡分析儀的后面板都增加了一個接口（Power I/O），該接口除提供兩路直流輸出外，還提供內(nèi)置電壓表支持兩路輸入電壓測量，在此基礎上推出一種效率測試方法[2]，這種方法直觀、簡捷，測試速度很快，內(nèi)部轉(zhuǎn)換時間小于1 μs[2]，可以解決快速掃頻測試下的同步問題，測試原理如圖3所示。

圖3 基于PNA-X的放大器電流測試[3]

這種測試方法中的關鍵探測電路（Sensing circuit）可以等效為一個電阻Rs，利用電流經(jīng)過串聯(lián)電阻時電阻兩端壓降將工作電流轉(zhuǎn)換為電壓，利用Power I/O的兩路電壓測量（AnalogIn1、AnalogIn2）直接得到電阻兩端的電壓（AI1、AI2），從而得到待測放大器的動態(tài)工作電流：

而放大器輸出功率（Pout）可以直接測試得到，輸入功率（Pin）及工作電壓（Vd）已知，因此可以得到功率放大器的附加效率：

綜合上述測試方法，最突出的優(yōu)點是可以解決脈沖狀態(tài)下電流測試的同步問題，但這個方法實際應用于寬帶大功率放大器測試時存在一個缺陷。因為放大器的匹配設計導致在工作頻帶內(nèi)各個頻點匹配狀態(tài)不同，因此在做掃頻測試時，每個頻點的動態(tài)工作電流不同，電阻Rs帶來的影響就是引起不同頻點上電源供給待測芯片根部的驅(qū)動電壓隨著電流的變化而變化，這個狀態(tài)與待測件實際工作狀態(tài)都不相同，將使得測試結(jié)果失去意義。在連續(xù)波工作狀態(tài)下可以通過直流穩(wěn)壓電源（S端）的自動補償解決此問題，但脈沖工作狀態(tài)下難以實現(xiàn)。

4 基于PNA-X的效率測試方法改進

針對前面一些測試方法的優(yōu)缺點綜合考慮，提出一個新的解決方法，就是電流探頭結(jié)合PNX后面板Power I/O結(jié)合的方法。

基于PNA-X的效率測試方法解決了快速脈沖同步問題，推想僅需要得到與實際工作電流相關的一個電壓值VId即可，但不能影響待測件的驅(qū)動電壓。而在電流探頭與示波器的結(jié)合測試方法中，可以通過電流探頭直接得到待測器件的工作電流，電流探頭提供了需要的VId，因此引入新的測試方法，如圖4所示。

圖4 基于PNA-X的新效率測試方法

這個方法有效利用PNA-X自身的快速同步功能，同時巧妙避開了串接電阻Rs引起的壓降效應，使得到達芯片根部電壓與工作狀態(tài)相同，在有效采集動態(tài)電流的同時不影響其他參數(shù)的測試。

基于此改進測試方法測試脈沖放大器的測試顯示界面如圖5所示，可以同時測試脈沖放大器功率參數(shù)、動態(tài)電流及線性S參數(shù)等。

圖5 基于PNA-X的新方法測試界面

使用此方法后新增測試參數(shù)而對測試速度未造成影響，1 ms脈沖周期下，同時測試功率放大器的線性、飽和狀態(tài)下的增益、功率、相位、駐波參數(shù)及效率，掃描250頻點總耗時不超過15 s，測試效果如圖6所示。

圖6 實際測試速度顯示

5 測試結(jié)果驗證

5.1 不確定度驗證

利用一款8.5 GHz～10.5 GHz功率放大器芯片驗證新的測試方法，其動態(tài)工作電流4～5 A，選用Keysight N2882A電流探頭，其測試結(jié)果不確定度如圖7。

圖7 測試結(jié)果及不確定度

就測試結(jié)果來看，測試穩(wěn)定性控制在1%以內(nèi)，對該款產(chǎn)品的測試而言測試方法的穩(wěn)定性是足夠的?？梢愿鶕?jù)不同測試電流范圍選擇合適的電流探頭，這與PNA-X的AnalogIn1、AnalogIn2接收端口標稱精度相關，為±1.22 mV[2]。這是影響不確定度的主要因素，另外N2882A電流探頭的感應電流電壓轉(zhuǎn)化比為0.1 V/A，因此如果測試其他電流范圍需要考慮電流探頭電壓轉(zhuǎn)化比對測試精度的影響。

5.2 測試準確性驗證

還是采用相同電流探頭對同款產(chǎn)品的測試精度進行驗證，選擇其工作頻帶內(nèi)任意一點采用脈沖狀態(tài)下測試進行比較，結(jié)果如圖8所示。

圖8 新方法與電源讀取的電流相對誤差

本實驗AnalogIn1讀取電流較電源直接讀取電流偏大1%～3%，選取測試典型值進行對比，最終測試效率結(jié)果如圖9所示，功率放大器在同種工作狀態(tài)下測試效率差別控制在1%以內(nèi)，此測試效率方法的精度是可以信賴的，測試方法是可行的。

圖9 新方法與電源讀取的測試效率結(jié)果對比

6 結(jié)論

本測試方法可用于脈沖功率放大器的快速效率測試，但解決方案并不完美，相同設備狀態(tài)下使用范圍存在一定的局限性，需要注意的問題主要有以下兩個方面：

（1）測試精度與電流探頭的選擇相關，電流探頭的電壓轉(zhuǎn)化比與Power I/O的模擬輸入端測試精度對測試結(jié)果起到主要影響作用；

（2）電流探頭的磁化效應會影響測試結(jié)果的準確性及穩(wěn)定性，長時間的測試需要注意探頭漂移誤差，需要實時消磁調(diào)零。

[1]陳金遠，陶洪琪，曹敏華，等. GaAs功率單片脈沖在片測試技術研究[J].固體電子學研究與進展，2012，32：582-583.

[2]PNA Series Network Analyzer Help (Keysight Technologies)[EB/OL].http：//na.tm.keysight.com/pna/help/ ,2013.

[3]PNA-X Application-Power-Added Efficiency (PAE)Application Note 1408-16 (Keysight Technologies) [EB/OL]. http：//www.keysight.com, 2007.