張凱虹，蘇　揚，武乾文

（中國電子科技集團第58研究所，江蘇無錫 214035）

低噪聲放大器的自動測試開發(fā)

張凱虹，蘇揚，武乾文

（中國電子科技集團第58研究所，江蘇無錫 214035）

如何快速又精確地輸出低噪聲放大器的測試值并使測試值符合測試規(guī)范是研究重點?；诙鄠€測試儀器對低噪聲放大器的特性參數(shù)進行測試開發(fā)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成S參數(shù)的測試，噪聲測試儀完成噪聲系數(shù)測試，信號源與頻譜儀配合完成三階交調(diào)交叉點測試，信號源與功率計配合完成1 dB增益壓縮點測試。通過GPIB或TCP/IP實現(xiàn)儀器通信，使用計算機編程對整個流程實現(xiàn)自動控制，最后將測試結(jié)果返回計算機并顯示，測試結(jié)果符合規(guī)范。實驗證明，在實際應(yīng)用中該方法快速精確并具有很好的通用性，可拓展到其他芯片的測試。

低噪聲放大器；S參數(shù)；噪聲系數(shù)

1　引言

低噪聲放大器需要提供高增益與低噪聲，成為芯片測試的一大挑戰(zhàn)，主要原因是低噪聲放大器的測試參數(shù)眾多，使用的測試儀與附件多，儀器設(shè)置復(fù)雜[1]，在生產(chǎn)環(huán)境下高效、準(zhǔn)確地對低噪聲放大器進行測試存在的問題主要是高增益與低噪聲，而兩者是相互矛盾的[2]。

對于其他類型的芯片，國外的測試生產(chǎn)商通常的方法是在實驗室環(huán)境下使用專門的臺式儀器對被測器件（DUT）使用多種方法進行測試。當(dāng)評估芯片正常時將評估板連接到自動測試機柜上進行測試。最后使用生產(chǎn)自動測試設(shè)備（ATE）對器件進行一系列溫度和電源電壓方面的測試。但對于低噪聲放大器而言即使在試驗階段評估電路測試正常，在生產(chǎn)階段也進行全參數(shù)測試。

本文通過把ATE與專用測試儀器相結(jié)合，搭建了一套測試平臺，對低噪聲放大器進行全面測試；通過對電路進行實際測量，達(dá)到了很好的效果。

2　測試難點

2.1測試指標(biāo)

低噪聲放大器的測試指標(biāo)通常包括增益、VSWR、IP3、NF等。

2.2測試設(shè)備

低噪聲放大器要求的測試資源多，并需要很強的分析軟件和處理能力，單靠自動測試設(shè)備ATE無法完成。由于低噪聲放大器測試指標(biāo)高，選用儀器指標(biāo)必須要求更高。

2.3工作頻率

低噪聲放大器工作頻率達(dá)GHz以上，高頻測試會帶來一系列的問題，例如信號的串?dāng)_、衍射、畸變等，對測試的部件包括插座、電纜、PCB等要求較高。

3　LNA參數(shù)與測試方法

3.1S參數(shù)

S參數(shù)的測試指標(biāo)包括增益 (S21)，輸入回波損耗(S11)，輸出回波損耗(S22)，工作頻段。測試示意圖如圖1所示。

增益（S21）測試是P1端口輸出功率給DUT，P2端口測量DUT的輸出功率，S21=P2（測量功率）-P1（輸出功率）。輸入回波損耗(S11)測試是通過P1端口輸出功率，P1端口測量DUT輸入端口反射回來的功率，S11= P1（測量功率）-P1（輸出功率）。輸出回波損耗(S22)測試是通過P2端口輸出功率，P2端口測量DUT輸出端口反射回來的功率，S22=P2（測量功率）-P2（輸出功率）。工作頻段測試是通過平均增益減少3 dB得到工作頻段截止增益，從S參數(shù)中讀取截止增益對應(yīng)的起止頻率，得出工作頻段。

圖1　S參數(shù)測試示意圖

測試前先將測試組網(wǎng)的S參數(shù)校準(zhǔn)完成，校準(zhǔn)至DUT夾具的輸入、輸出端口。測試S參數(shù)時選擇功率大小為-15 dBm，保證DUT工作在小信號線性區(qū)域，測試頻段選擇2～25 GHz。S11、S22為矢網(wǎng)直接讀出的數(shù)據(jù)，S21最終測試結(jié)果還需補償整個夾具的損耗。

3.2噪聲系數(shù)

采用Y因數(shù)測量法，在DUT輸入端接標(biāo)準(zhǔn)噪聲源，噪聲源工作在冷態(tài)(OFF)和熱態(tài)(ON)兩種工作方式下，測試兩種狀態(tài)下DUT輸出的噪聲Noff、Non。Y因數(shù)=Non/Noff，噪聲F=ENR/（Y-1）。噪聲儀自動進行計算，并將噪聲F換算為噪聲系數(shù)NF。測試低噪聲系數(shù)器件選用ENR較小的噪聲源測試更準(zhǔn)確。

測試中使用兩個噪聲源進行測試，噪聲源1工作頻率為10 MHz～18 GHz，ENR 6 dB，噪聲源2工作頻率10 MHz～26.5 GHz，ENR 15 dB，測試6～18 GHz頻率使用噪聲源1進行測試，19 GHz、20 GHz使用噪聲源2進行測試。噪聲系數(shù)測試結(jié)果再減去夾具輸入端引入的噪聲惡化值，即NF(DUT)=NF(噪聲儀讀數(shù))-夾具輸入端損耗。

圖2　噪聲系數(shù)測試示意圖

3.3三階交調(diào)交叉點

三階交調(diào)交叉點是理論計算出的功率，信號源1頻率(f1)與信號源2頻率(f2)存在一定間隔，在2 f2-f1和2 f1-f2兩個頻率點會出現(xiàn)三階交調(diào)產(chǎn)物，兩個信號源功率相同。三階交調(diào)產(chǎn)物增加的比例是DUT增益的3倍，功率計得到的是兩個信號源的功率，因此單個信號源的功率為功率計功率-3 dB；頻譜儀可以直接讀取到三階交調(diào)大小，IMD3。計算公式為：

圖3　OPI3測試示意圖

測試方法如圖3所示，測試中信號源1輸入電平為-12 dBm，信號源2功率進行微調(diào)，保證兩個信號源功率相同，從頻譜儀截圖中可以查看到兩個信號的大小相同。兩個信號源頻率間隔100 MHz。使用矢網(wǎng)對耦合器耦合口和DUT輸出端之間的損耗進行校準(zhǔn)，計算時將此損耗和夾具輸出端損耗補償?shù)接嬎憬Y(jié)果中，得到最終OIP3。

3.41 dB增益壓縮點

隨著輸入信號的增大，DUT的輸出功率會接近飽和，增益壓縮，當(dāng)增益壓縮1 dB時的輸出功率就是1 dB增益壓縮點輸出功率(P-1out)，

測試方法如圖4所示。測試前先對功率計探頭進行校準(zhǔn)，使用矢網(wǎng)對DUT輸出線纜進行校準(zhǔn)，損耗為(Lout)。使用信號源先輸出-12 dBm的小信號，此時記下功率計功率Ps，小信號增益=Ps-(-12)；然后增大信號源功率，直到增益下降為：小信號增益-1，此時的輸出功率即1 dB增益壓縮點輸出功率（P-1）。

圖4　1dB增益壓縮點測試示意圖

3.5測試補償方法

補償?shù)哪康氖墙档陀蓽y試夾具、同軸電纜等引入的測試誤差。本文的LNA由于測試精度高，采用了TRL校準(zhǔn)方法，使用了兩套評估板，一套評估板的IC去掉用于校準(zhǔn)，另一套進行實際測試。校準(zhǔn)的步驟參考文獻[3]。

4　測試方案與實現(xiàn)

4.1軟硬件方案

測試采用ATE與外接專用儀器結(jié)合的方法，同時解決測試指標(biāo)和測試設(shè)備問題。連接的具體方法如圖1至圖4所示。

軟件采用ATE自帶的軟件，采用VB或VC編程方式，VB或VC可實現(xiàn)對外接專用儀器的程控，同時可完成由ATE測試的LNA的其他參數(shù)，實現(xiàn)整個流程一鍵操作。

需要注意的是測試的DUT需設(shè)計為高頻多層接口板，繪制中考慮布局、布線的相關(guān)技術(shù)，考慮信號完整性問題，連接器件采用高頻連接端子，避免干擾與衰減。將安裝好未放置器件的電路板通電連接到信號分析儀，當(dāng)信號分析儀上雜散信號少或沒有時說明電路板制作合格。這樣可解決高頻工作問題。

4.2測試實現(xiàn)

本文進行的是LNA的四溫電測試，其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用的是N5244A，噪聲測試儀使用的是8957A，信號源是Textronix E8257D，頻譜儀使用的是Agile N9020A，功率計使用的是E4416，熱流罩使用的是TP4310。

4.3測試結(jié)果與分析

該方法最大的特點就是快速準(zhǔn)確，測試結(jié)果以TXT格式輸出，一目了然。

圖5是噪聲系數(shù)四溫測試結(jié)果，-597.9 V/μs；圖6是20 GHz OPI3測試結(jié)果，圖7是輸出回波損耗，測試值為0.256%。從圖中可見，被測LNA的測試結(jié)果很好，符合器件規(guī)范要求。

圖5　噪聲系數(shù)四溫測試結(jié)果

圖6　20 GHz OPI3測試圖

圖7　S11測試結(jié)果

5　結(jié)論

該測試方法可很好地應(yīng)用到LNA的試驗階段和生產(chǎn)階段，系統(tǒng)占地少、無其他配套設(shè)施和輔助設(shè)備，所以其運行成本基本上就是專業(yè)儀器的折舊費和人工成本，測試成本比較低。它不僅用于DDS新品的測試和要求嚴(yán)格場合的二次測試，還可以對其他ADC和DAC產(chǎn)品進行測試。

該通用性的實施辦法是制作測試高頻多層DUT接口板即可。而高頻多層DUT接口板是該測試系統(tǒng)中測試成本最低的部分。它的通用性還表現(xiàn)在通過改變外圍測試儀器和連接方式可用于其他種類芯片的測試，即時域、頻域和調(diào)制域信號分析。這樣可以提升和拓展該系統(tǒng)，充分使用專用儀器。

由結(jié)果可得出該方法可以快速地對輸出信號進行時域、頻域和調(diào)制域的分析，還具有很好的實際應(yīng)用可行性，現(xiàn)該系統(tǒng)已用于DDS芯片的測試工作。

[1]陳廣聰.低噪聲放大器LNA的測試系統(tǒng)設(shè)計、分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2009.

[2]Joe Kelly,Michael Engelhardt.Advanced Production Testing of RF,SoC,and SiP Devices[M].ARTECH HOUSE,INC.2007.

[3]賀同云，江巖.表面貼裝器件S參數(shù)測量方法研究[J].電子測量，2013.

An Automatic Test Method for LNA

ZHANG Kaihong,SU Yang,WU Qianwen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China）

The paper focuses on fast and accurate LNA output method that meets required specifications.The paper analyzes the LNA parameters derived from several test instruments.The vector network analyzer tests S parameters;the noise test device tests noise factor;signal generator and spectrum instrument performs IP3 test; signal generator and power meter completes 1 dB gain compression point test.The whole process is automatic controlled by computer while the instrument communications is via GPIB or TCP/IP.The measurement results displayed in the end meet the specifications.The experiment demonstrates that the automatic test method is fast and precise and application to other IC tests can be expected.

low noise RF amplifier(LNA);S parameters;noise factor

TN407

A

1681-1070（2016）11-0007-03

2016-3-23

張凱虹（1982—），女，山西文水人，碩士研究生畢業(yè)，工程師，研究方向為大規(guī)模集成電路的測試技術(shù)。