加速RF器件测试的正确操作方法
互联网 2022-11-24

在RF测试能够进行之前,必须测试这些器件的直流工作状态。对于二极管来说,包括正向压降、反响击穿电压和结漏电流。对于三极管,这包括不同的结击穿电压、结漏电流、集电极或漏极特性等。选择正确的测试仪器并通过适当的设定,能够极大地加速这些测试过程。

  仪器选择

  采用各种数字万用表(DMM)、电压源和电流源来实现测试,将占用更多的机架空间、需要学习多种命令集,系统编程和维护也更复杂。触发时间变复杂了,且触发的不确定性增加了,而协调分立仪器的操作增加了总线的通讯流量,降低了测试效率。

  要解决这些问题,首先是将几个功能整合到一个仪器中。源-测量单元(SMU)将精密电压源、精密电流源、电压表、电流表整合到一个仪器中,节约了空间并简化了设备间的操作。其次是消除仪器和控制计算机之间的通讯延时。

  降低通讯开销

  随着仪器和计算机间的高速通讯成为可能,通过GPIB(IEEE-488总线)链接为测试的每个步骤提供命令和控制,使得测试系统自动化更为广泛。尽管这与以前相比有很大的进步,但还是具有明显的速度限制。首先,GPIB需要可观的通讯开销。GPIB用作实时测试的另外一个缺点是控制通常来自总线的另外一端-运行Windows操作系统的PC,Windows在通讯响应时具有显著的延时,并且不可预测,这使得在测试环境中使用PC作为唯一的控制器时,多个仪器的同步几乎是不可能的。

  图1:二极管测试时的测量设备设置。

  这个问题的解决办法是使用GPIB对仪器进行预配置,然后让仪器自己执行测试。许多现代仪器拥有源存储器列表(source memory list)编程功能,允许设立和运行多达100个完整的测试序列而无须PC干预。每个测试可包含不同的仪器配置和测试条件,可包括源的配置、测量、条件跳转、数学功能和通过/失败极限测试和存储功能。某些单元可在直流或脉冲模式下,采用不同的参数和时间安排运行,使得有可能减慢较敏感的测试,或加速其它测试以优化整个测试时间进程。

  当仪器基本上自主运行时,GPIB的角色就是测试前下载测试程序以及测试后上传结果到PC,两者都不干涉实际测试。

  仪器触发

  为实现简单的电流-电压扫描(I-V),SMU输出一系列电压同时测量对应的电流。在每个电压级,SMU首先提供一个电压。电路中的电压变化将引起一个瞬态电流,因此对测试完整性而言在激励和测量之间设定一个合适的延时很关键。在不同的范围内仪器将自动调节延时来产生最佳结果。然而,给测试电路附加额外的部件,例如长电缆、开关矩阵等,这将改变电路的瞬态特性。对于高阻器件,较长的测试时间通常是必要的。在这些情况下,用户需要定义额外的延时以维持测量的完整性。

  二极管的测试

  我们的第一个例子包括测试仪器、器件传递装置(handler)和PC(图1),这里需要注意如何通过内部编程来消除大多数的GPIB通讯来加速测试。

  二极管的生产测试包括验证步骤确定待测二极管的极性,然后测试正向压降、反向击穿电压以及漏电流。

  正向压降是指在某些规定的正向电流时二极管两端的电压,通过在二极管上通过规定电流,然后在其两端测量电压来得到。反向击穿电压(VRM或VBR)是电流突然无限增加时的反向电压,这通过施加反向电流并测量二极管两端的电压来测量。读出的电压与特定的最低极限相比较以决定测试通过或失败。漏电流IR有时也称为反向饱和电流,IS是给二极管施加小于反向击穿电压的一个电压时的电流,它是通过施加一个特定的反向电压并测量产生的电流来得到的。编写程序来在源/存储器仪器的存储器位置(memory location)中设置二极管的测试,然后通过IEEE总线传来的一个触发开始执行,仪器按照存储器中的设定编程位置执行操作,无须计算机的干预。

  图2:在三极管测试中一般使用两台SMU,第一台在HBT基极和发射极之间,第二台在发射极和集电极之间。

  RF功率三极管测试

  尽管有许多类型的RF三极管存在,但我们以异质结双极性三极管(HBT)为例,类似的测试可用于其它器件。由于三极管是个三端器件,通常需要使用两台SMU。图2显示两台SMU连接到器件,第一台在HBT基极和发射极之间,第二台在发射极和集电极之间。为了获取HBT的集电极曲线,基极SMU设置成输出电流并测量电压。设好第一个基极电流后,在扫描集电极电压的同事测量集电极电流。然后基极电流增加一级,再次扫描集电极电压并同时测量集电极电流。重复该过程直到获得不同基极电流情况下所有的集电极I-V曲线。

仪器的同步

  由于希望两台仪器都被编程(避免GPIB延迟),我们希望测试设置中的所有仪器同步。开始,这并不成为问题。例如,如果几台SMU拥有同样的固件,且采用相同的测试参数对其编程,每一步的执行时间将相同。而困难来自存储器位置调用和自动距离修正(auto-ranging)步骤,这些步骤花费的时间不确定。

  在类似这种情况下需要使用一个外部的、专门的触发控制器,以保证多个仪器的测量同时发生。在测试系统采用了不同厂家的设备,或者即使来自同样厂家但触发方法不同时,这特别有用。

  过程如下所述(采用的实例参照了Keithley仪器,但类似的办法可用于其它厂家的仪器):

  1.触发控制器输出一个触发信号到每台仪器。

  2.从存储器调用源存储器位置。

  3.使能所有仪器的源输出。

  4.每台仪器按照用户定义的延时执行。

  5.一旦完成延时操作每台仪器给控制器输出一个触发信号。

  6。触发控制器等待每台仪器输出的触发信号(延时输出)。

  7.触发控制器给每台仪器发送一个触发信号(测量输入)。

  8.每台仪器开始测量操作。

  9.完成测量后,每台仪器给控制器发出一个触发信号。

  10.触发控制器等待每台仪器输出的触发信号(测量输出)。

  11.回到步骤1开始下一测试。

  特定的三极管测试

  HBT通常有两个重要的击穿电压需要测量:第一个是集电极-发射极击穿电压,可在基极开路或短路时测,图3a显示基极开路(BVCEO或V (BR)CEO)下测量集电极-发射极击穿电压的设置,图3b显示基极短路(BVCES或V(BR)CES)情况下测量集电极-发射极击穿电压的设置。另一个击穿电压是集电极-基极击穿电压(BVCBO或V(BR)CBO),通常射极开路测量,图3c显示了该测试设置。在这些测量中,源-测量单元扫描HBT上的电压同时测量电流。在达到击穿电压之前,电流将保持非常恒定,达到击穿电压后,电流将突然增加。

                        图3:a:集电极-发射极击穿电压,基极开路;
                       b:集电极-发射极击穿电压,基极短路;
                         c:集电极关断电流,ICBO,及集电极-基极击穿电压,发射极开路。

  通常RF功率三极管要测的其他参数有集电极-发射极持续电压,BVCEO
(sus)或VCE(sus),在基极-发射极之间的结上采用反向偏置时集电极-发射极的击穿电压(BVCEV或BVCEX),以及集电极开路时的发射极-基极击穿电压(BVEBO)。

  结漏电流

  描述器件关断时的漏电流也非常重要,因为在器件不工作时,漏电流将浪费功率,会缩短电池供电设备的工作时间。最常测量的漏电流参数是集电极关断电流(ICBO),在集电极和基极之间测量,发射极开路(图3c)。基极反向偏置漏电流,也称为发射极关断电流或发射极-基极关断电流(IEBO),是另一个最重要的漏电流,它是器件关断时基极的漏电流。

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