丁志釗 單梅林 王盤偉 / 中電科儀器儀表有限公司；中國電子科技集團公司第四十一研究所

0 引言

功放芯片的主要性能指標包括增益、1 dB壓縮點、群延時、AM/PM轉(zhuǎn)換雜散、噪聲系數(shù)、飽和輸出功率、噪聲功率密度和諧波抑制等[1-2]。

目前，從公開的國內(nèi)外資料來看，無論是商用和工業(yè)級功放芯片測試，還是宇航級功放芯片測試，基本都是采用信號發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡分析儀、頻譜分析儀和噪聲儀等通用測試儀器，配合測試夾具和狀態(tài)控制器，以衰減器、耦合器、帶阻濾波器和開關網(wǎng)絡等實現(xiàn)大功率輸出信號調(diào)理和測試通道切換，從而最終實現(xiàn)功放芯片不同性能指標的測試[3-4]。需要說明的是，由于關注最終輸出信號的信噪比，需要在芯片層級將噪聲系數(shù)控制在10 dB左右，因此，本系統(tǒng)也將噪聲系數(shù)列入了測試項目。

綜合已有文獻資料來看，目前對功放芯片測試基本都較為關注性能指標，對于測試安全性則提及不多，只是個別論文中提及了電源監(jiān)控和基于性能指標異常情況下的測試中止保護[5-6]。

其實，功放芯片測試不僅僅是性能指標的測試過程，也必須綜合考慮被測芯片自身、測試系統(tǒng)和測試數(shù)據(jù)等多方面的測試安全性問題。沒有安全，測試效率再高也沒有意義。

1 測試安全性問題由來

功放芯片往往要多路供電電源，并且需要按照順序上電，并逆序斷電。在發(fā)生供電異常的情況下，有可能會損害被測功放芯片。

在測試過程中，由于功放輸出功率較大，測試儀器無法直接進行測試，這就涉及不同大功率測試附件的連接和更換。除噪聲功率密度需要連接帶阻濾波器外，其他指標測試需要連接大功率衰減器或定向耦合器。這就有可能發(fā)生錯接或漏接，從而因功率過載燒毀測試系統(tǒng)。另外，由于質(zhì)量管控和問題歸零等需要，功放芯片設計制造和使用單位對于測試數(shù)據(jù)的完整性尤其重視。一旦發(fā)生突發(fā)中斷，如何保存好已有數(shù)據(jù)，并且繼續(xù)測試應不覆蓋已有數(shù)據(jù)，這也是需要重點解決的安全性問題之一。

概括來說，所有功放芯片性能指標測試涉及與供電次序性和測試突發(fā)中斷引起的安全性問題；而輸出功率、寄生調(diào)制參數(shù)、增益、AM/PM變化系數(shù)、群時延、噪聲系數(shù)、諧波、功率回退等參數(shù)測試可能引發(fā)錯接或漏接大功率衰減器或定向耦合器而導致系統(tǒng)功率過載問題；噪聲功率密度參數(shù)測試可能引發(fā)錯接或漏接帶阻濾波器而導致系統(tǒng)功率過載問題。

2 目標

根據(jù)上述安全性隱患，本文在測試安全性實現(xiàn)方面要達到以下目標：

1）錯接或漏接大功率測試附件不會燒毀測試系統(tǒng)，并自動中止測試并告警。

2）確保按照順序上電，并在異常斷電的情況下，可以按照要求的順序切斷其他電源。

3）不會因測試突發(fā)中斷而導致數(shù)據(jù)覆蓋或丟失。

3 關鍵技術實現(xiàn)思路及方法

3.1 基于時序控制和多線程監(jiān)控相結合的電源防護技術實現(xiàn)思路及方法

目前，對于涉及電源方面的保護，一般是采用多線程的方式監(jiān)控電壓、電流等性能指標，一旦發(fā)生異常，則依次切斷相關電源輸出，這在一定程度上解決了此類安全性問題。

當然，單單依靠監(jiān)控方式也存在一定問題。在測試過程中，監(jiān)控線程和測試線程有可能出現(xiàn)同時訪問電源情況，這將引起資源訪問沖突。為了確保安全訪問共有資源，一般采用線程鎖資源保護機制。在該機制中，將資源訪問權限和操作系統(tǒng)中的線程鎖對象進行關聯(lián)實現(xiàn)資源保護。在特定的時間內(nèi)，操作系統(tǒng)只允許一個線程獲得特定的線程鎖對象。若程序中某一線程占有線程鎖較長時間，可能導致其他欲獲得線程鎖的線程等待較長時間。這種多線程方法雖然能使測試和安全防護程序順利運行，但是，當出現(xiàn)資源訪問沖突時需要等待，這就影響了安全防護的實時性[7-8]。

為了提高電源防護的實時性和可靠性，采用了基于時序控制和多線程監(jiān)控相結合的電源防護技術。通過研制電源時序控制器這一硬件資源彌補實時性不足的弱點，并配合多線程監(jiān)控方式，從軟硬兩個方式確保供電方面的安全。

1）基于時序控制的電源防護技術

以某型芯片為例，它需要±3.3 V和+5 V三路電源。上電順序為-3.3 V、+3.3 V、+5V，斷電順序則正好相反。電源時序控制器主要實現(xiàn)電源上電順序的二次調(diào)理和異常斷電的保護功能，電源時序控制器原理圖如圖1所示。

上電時，-3.3 V電源進入電源時序控制器后，首先經(jīng)過穩(wěn)壓電路調(diào)理，在進入控制電路的同時也輸出至被測芯片，這樣也能防止負電源過高損壞被測件。-3.3 V電源經(jīng)限幅積分放大電路、控制電路1后成為+3.3 V電源的控制信號，此時已經(jīng)輸入至繼電器輸入端的+3.3 V電源方能輸出。而在-3.3 V、+3.3 V電源的共同作用下，經(jīng)比例放大電路、控制電路2后成為+5V電源的控制信號，此時已經(jīng)輸入至繼電器輸入端的+5 V電源方能輸出。通過上述調(diào)理，確保按照-3.3 V、+3.3 V、+5 V順序上電，前級電源沒有輸出，則后級電源也無法輸出。

圖1 電源時序控制器原理

而在異常情況下，若-3.3 V電源故障，由于限幅積分放大電路的延時作用，+3.3 V電源遲于+5 V電源切斷，從而滿足+5 V電源應先關斷的要求。又若+3.3 V電源故障，控制電路2產(chǎn)生關閉繼電器的控制信號，保證實現(xiàn)+5 V電源自動關閉。

上述控制過程無需軟件參與，只是依靠硬件電路即可實現(xiàn)，實時性較高。

2）基于線程鎖的電源防護技術

在軟件方面，監(jiān)控線程配合安全防護線程實現(xiàn)被測芯片異常狀況的斷電保護。自程控電源輸出之時，主控計算機的監(jiān)控線程和測試線程就已經(jīng)啟動。一方面測試線程進行性能指標測試，另一方面監(jiān)控線程不斷采集被測芯片的電壓、電流等狀態(tài)信息。一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)信息參數(shù)超過設定的門限，則會啟動安全防護線程。安全防護線程申請測試線程釋放直流程控電源資源，資源釋放完畢后，安全防護線程就立即按照次序切斷所有電源（異常中斷記錄流程圖如圖2所示）[9]。

某種意義上講，實現(xiàn)上電、斷電軟硬件監(jiān)控和保護不但是測試的剛性需求，而且也是測試系統(tǒng)內(nèi)在軟實力的體現(xiàn)。

3.2 基于小功率信號的測試通道連通性驗證技術實現(xiàn)思路及方法

在正常情況下，被測功放芯片以及測試附件的技術指標是已知的，所以，當輸入功率一定時，最終輸出信號指標的合理范圍是可以推算的。也就是說，可以通過測量輸出信號的指標判定調(diào)理部件是否連接以及連接是否正確，當然要確保即使錯接或漏接測試附件也不至于測試系統(tǒng)過載，這就要利用基于小功率信號的測試通道連通性驗證技術。

圖2 異常中斷記錄流程

指標測試開始之前，在當前通道的輸入端灌入基準驗證信號，基準驗證信號需要確定功率和頻率兩個物理量。功率量確定原則為不超過系統(tǒng)過載閾值，并留有一定余量。另外，需要注意的是，系統(tǒng)中不同測試儀器的承受功率閾值并不一致。

式中：Pt—— 基準驗證信號功率，dBm；

PH—— 測試系統(tǒng)中測試儀器承受功率閾值，dBm；

ILOUT—— 輸出測試通道插入損耗，dB；

G—— 被測芯片增益，dB；

ILIN—— 輸入測試通道插入損耗，dB

考慮到在工作頻率范圍內(nèi)，一般頻率越低，承受功率越大，因此，頻率值可以選擇工作頻率的下限值。

啟動通道連通性驗證后，系統(tǒng)自動根據(jù)測試結果給出相應的提示和后續(xù)處理。若正常，則開始性能指標測試進程。若測試值嚴重偏大，說明測試通道衰減過小。根據(jù)測試項目，軟件會提示“請檢查測試通道，正確連接衰減器或濾波器”，并中止測試，同時進行聲光電等不同形式的告警。若測試值嚴重偏小，說明測試通道衰減過大。根據(jù)測試項目，軟件會提示“請檢查測試通道，正確連接衰減器或濾波器”，并中止測試，同時進行聲光電等不同形式的告警。

直至通過通道連通性驗證后，系統(tǒng)方可啟動正式測試。上述驗證過程基于自動方式完成，無需人工干預，對測試效率影響也較小。

3.3 基于斷點記錄的測試突發(fā)中斷恢復和數(shù)據(jù)保護技術實現(xiàn)思路及方法

在發(fā)生測試突發(fā)中斷時，若要保證測試數(shù)據(jù)安全，需要保存已有測試數(shù)據(jù)，并記錄中斷原因及位置，進而能夠定位問題和解決問題，并保證下次測試能夠從中斷位置繼續(xù)測試。既不重復測試，又不遺漏測試。

按照當前的處理方式，伴隨每一個測試項目產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)都實時存入數(shù)據(jù)庫，因此，已有測試數(shù)據(jù)其實不會丟失，需要重點解決異常中斷原因、位置記錄和繼續(xù)測試問題。

1）異常中斷原因記錄

記錄中斷原因進而排除測試過程中的問題，這是繼續(xù)測試和獲取測試數(shù)據(jù)的基礎。測試過程中的異常中斷主要分為兩種：一種是可以預見的，即前文提到的狀態(tài)監(jiān)控線程檢測異常而引發(fā)的中斷，此時監(jiān)控線程會記錄異常數(shù)據(jù)并喚醒安全防護進程。另一種是不可預見的，即由于測試軟件執(zhí)行失敗而引起的測試中斷。對于第二種情況，通過軟件監(jiān)控線程和異常記錄線程實現(xiàn)異常中斷的記錄，其流程圖如圖3 所示。

圖3 異常中斷記錄流程

因執(zhí)行異常中斷后，軟件將彈出對話框，并提示錯誤原因與出處。此時，異常記錄線程檢測到測試線程是因執(zhí)行失敗而中斷就會獲取當前對話框的句柄，并通過截圖處理保存下來，最終實現(xiàn)異常中斷原因和位置記錄。

2）繼續(xù)測試

記錄中斷位置的目的是繼續(xù)測試時能夠從已有測試數(shù)據(jù)的下一項測試開始執(zhí)行。為了實現(xiàn)這一目標，測試序列每次將測試數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫后，都會立即將當前測試序列的執(zhí)行位置信息保存為永久變量，相當于保存到平臺軟件的配置文件中。這樣無論是手動暫停，還是異常中斷，下次測試時都可以實現(xiàn)從已有測試數(shù)據(jù)的下一個測試項目開始測試。

待故障排除后重啟測試，中斷位置信息作為測試序列執(zhí)行的前置條件，即序列從頭開始運行，如果當前測試項目與保存的中斷位置、芯片型號、編號、測試項目、通道等信息不匹配則跳過，直到找到正確的位置。

通過上述設計，測試軟件具備很強的容錯能力和故障可恢復能力，兼顧保證了測試連續(xù)性和數(shù)據(jù)安全性。

4 安全性驗證及效果

以某型功放芯片為測試驗證對象，搭建了完整的測試驗證系統(tǒng)，系統(tǒng)主要設備清單如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要設備

同時，本文也進行了相關測試安全性性能驗證，實現(xiàn)效果如下所示：

1）電源安全性驗證

（1）不加 -3.3 V 電源，+3.3 V 和 +5 V 電源無法輸出至被測芯片；

（2）-3.3 V 和 +3.3 V 任一路電源不加，+5 V 電源無法輸出至被測芯片；

（3）斷開+3.3V 電源，+5 V 自動斷開，響應時間為毫秒級；

（4）斷開-3.3 V 電源，利用示波器測試可知+5 V 電源早于 +3.3 V 電源斷開。

2）測試通道連通性驗證

（1）當測試功率等性能指標時，不連接衰減器或連接錯誤衰減量衰減器，系統(tǒng)軟件提示“請正確連接衰減器”，并中止測試。

（2）當測試噪聲功率密度等性能指標時，不連接濾波器或連接錯誤插入損耗值的濾波器，系統(tǒng)軟件提示“請正確連接濾波器”，并中止測試。

3）測試突發(fā)中斷恢復和測試數(shù)據(jù)安全性驗證

（1）關斷某一測試儀器，引起測試突發(fā)中斷，再將儀器開機，可以通過“繼續(xù)測試”軟件按鈕重新啟動測試；

（2）查看異常中斷前的測試數(shù)據(jù)，重新啟動測試后，數(shù)據(jù)未丟失，也未被覆蓋。

5 結語

試驗驗證表明：基于小功率信號的測試通道連通性驗證、基于時序控制和多線程監(jiān)控的電源防護、基于斷點記錄的測試突發(fā)中斷恢復和數(shù)據(jù)保護等技術很好地解決了供電、測試系統(tǒng)和測試數(shù)據(jù)等方面的安全性問題，也具有一定推廣應用價值，可以為其他類似測試系統(tǒng)提供參考和借鑒。測試安全性問題不可回避，并應當著力加強相關新技術、新方法研究與實現(xiàn)，在更準、更快的前提下力求實現(xiàn)更安全的測試。