低噪声放大器的自动测试开发

2016-12-06张凯虹武乾文

电子与封装 2016年11期

关键词：噪声系数低噪声噪声源

张凯虹，苏　扬，武乾文

（中国电子科技集团第58研究所，江苏无锡 214035）

低噪声放大器的自动测试开发

张凯虹，苏扬，武乾文

（中国电子科技集团第58研究所，江苏无锡 214035）

如何快速又精确地输出低噪声放大器的测试值并使测试值符合测试规范是研究重点。基于多个测试仪器对低噪声放大器的特性参数进行测试开发。矢量网络分析仪完成S参数的测试，噪声测试仪完成噪声系数测试，信号源与频谱仪配合完成三阶交调交叉点测试，信号源与功率计配合完成1 dB增益压缩点测试。通过GPIB或TCP/IP实现仪器通信，使用计算机编程对整个流程实现自动控制，最后将测试结果返回计算机并显示，测试结果符合规范。实验证明，在实际应用中该方法快速精确并具有很好的通用性，可拓展到其他芯片的测试。

低噪声放大器；S参数；噪声系数

1　引言

低噪声放大器需要提供高增益与低噪声，成为芯片测试的一大挑战，主要原因是低噪声放大器的测试参数众多，使用的测试仪与附件多，仪器设置复杂[1]，在生产环境下高效、准确地对低噪声放大器进行测试存在的问题主要是高增益与低噪声，而两者是相互矛盾的[2]。

对于其他类型的芯片，国外的测试生产商通常的方法是在实验室环境下使用专门的台式仪器对被测器件（DUT）使用多种方法进行测试。当评估芯片正常时将评估板连接到自动测试机柜上进行测试。最后使用生产自动测试设备（ATE）对器件进行一系列温度和电源电压方面的测试。但对于低噪声放大器而言即使在试验阶段评估电路测试正常，在生产阶段也进行全参数测试。

本文通过把ATE与专用测试仪器相结合，搭建了一套测试平台，对低噪声放大器进行全面测试；通过对电路进行实际测量，达到了很好的效果。

2　测试难点

2.1测试指标

低噪声放大器的测试指标通常包括增益、VSWR、IP3、NF等。

2.2测试设备

低噪声放大器要求的测试资源多，并需要很强的分析软件和处理能力，单靠自动测试设备ATE无法完成。由于低噪声放大器测试指标高，选用仪器指标必须要求更高。

2.3工作频率

低噪声放大器工作频率达GHz以上，高频测试会带来一系列的问题，例如信号的串扰、衍射、畸变等，对测试的部件包括插座、电缆、PCB等要求较高。

3　LNA参数与测试方法

3.1S参数

S参数的测试指标包括增益 (S21)，输入回波损耗(S11)，输出回波损耗(S22)，工作频段。测试示意图如图1所示。

增益（S21）测试是P1端口输出功率给DUT，P2端口测量DUT的输出功率，S21=P2（测量功率）-P1（输出功率）。输入回波损耗(S11)测试是通过P1端口输出功率，P1端口测量DUT输入端口反射回来的功率，S11= P1（测量功率）-P1（输出功率）。输出回波损耗(S22)测试是通过P2端口输出功率，P2端口测量DUT输出端口反射回来的功率，S22=P2（测量功率）-P2（输出功率）。工作频段测试是通过平均增益减少3 dB得到工作频段截止增益，从S参数中读取截止增益对应的起止频率，得出工作频段。

图1　S参数测试示意图

测试前先将测试组网的S参数校准完成，校准至DUT夹具的输入、输出端口。测试S参数时选择功率大小为-15 dBm，保证DUT工作在小信号线性区域，测试频段选择2～25 GHz。S11、S22为矢网直接读出的数据，S21最终测试结果还需补偿整个夹具的损耗。

3.2噪声系数

采用Y因数测量法，在DUT输入端接标准噪声源，噪声源工作在冷态(OFF)和热态(ON)两种工作方式下，测试两种状态下DUT输出的噪声Noff、Non。Y因数=Non/Noff，噪声F=ENR/（Y-1）。噪声仪自动进行计算，并将噪声F换算为噪声系数NF。测试低噪声系数器件选用ENR较小的噪声源测试更准确。

测试中使用两个噪声源进行测试，噪声源1工作频率为10 MHz～18 GHz，ENR 6 dB，噪声源2工作频率10 MHz～26.5 GHz，ENR 15 dB，测试6～18 GHz频率使用噪声源1进行测试，19 GHz、20 GHz使用噪声源2进行测试。噪声系数测试结果再减去夹具输入端引入的噪声恶化值，即NF(DUT)=NF(噪声仪读数)-夹具输入端损耗。

图2　噪声系数测试示意图

3.3三阶交调交叉点

三阶交调交叉点是理论计算出的功率，信号源1频率(f1)与信号源2频率(f2)存在一定间隔，在2 f2-f1和2 f1-f2两个频率点会出现三阶交调产物，两个信号源功率相同。三阶交调产物增加的比例是DUT增益的3倍，功率计得到的是两个信号源的功率，因此单个信号源的功率为功率计功率-3 dB；频谱仪可以直接读取到三阶交调大小，IMD3。计算公式为：

图3　OPI3测试示意图

测试方法如图3所示，测试中信号源1输入电平为-12 dBm，信号源2功率进行微调，保证两个信号源功率相同，从频谱仪截图中可以查看到两个信号的大小相同。两个信号源频率间隔100 MHz。使用矢网对耦合器耦合口和DUT输出端之间的损耗进行校准，计算时将此损耗和夹具输出端损耗补偿到计算结果中，得到最终OIP3。

3.41 dB增益压缩点

随着输入信号的增大，DUT的输出功率会接近饱和，增益压缩，当增益压缩1 dB时的输出功率就是1 dB增益压缩点输出功率(P-1out)，

测试方法如图4所示。测试前先对功率计探头进行校准，使用矢网对DUT输出线缆进行校准，损耗为(Lout)。使用信号源先输出-12 dBm的小信号，此时记下功率计功率Ps，小信号增益=Ps-(-12)；然后增大信号源功率，直到增益下降为：小信号增益-1，此时的输出功率即1 dB增益压缩点输出功率（P-1）。

图4　1dB增益压缩点测试示意图

3.5测试补偿方法

补偿的目的是降低由测试夹具、同轴电缆等引入的测试误差。本文的LNA由于测试精度高，采用了TRL校准方法，使用了两套评估板，一套评估板的IC去掉用于校准，另一套进行实际测试。校准的步骤参考文献[3]。

4　测试方案与实现

4.1软硬件方案

测试采用ATE与外接专用仪器结合的方法，同时解决测试指标和测试设备问题。连接的具体方法如图1至图4所示。

软件采用ATE自带的软件，采用VB或VC编程方式，VB或VC可实现对外接专用仪器的程控，同时可完成由ATE测试的LNA的其他参数，实现整个流程一键操作。

需要注意的是测试的DUT需设计为高频多层接口板，绘制中考虑布局、布线的相关技术，考虑信号完整性问题，连接器件采用高频连接端子，避免干扰与衰减。将安装好未放置器件的电路板通电连接到信号分析仪，当信号分析仪上杂散信号少或没有时说明电路板制作合格。这样可解决高频工作问题。

4.2测试实现

本文进行的是LNA的四温电测试，其中矢量网络分析仪使用的是N5244A，噪声测试仪使用的是8957A，信号源是Textronix E8257D，频谱仪使用的是Agile N9020A，功率计使用的是E4416，热流罩使用的是TP4310。

4.3测试结果与分析

该方法最大的特点就是快速准确，测试结果以TXT格式输出，一目了然。

图5是噪声系数四温测试结果，-597.9 V/μs；图6是20 GHz OPI3测试结果，图7是输出回波损耗，测试值为0.256%。从图中可见，被测LNA的测试结果很好，符合器件规范要求。

图5　噪声系数四温测试结果

图6　20 GHz OPI3测试图

图7　S11测试结果

5　结论

该测试方法可很好地应用到LNA的试验阶段和生产阶段，系统占地少、无其他配套设施和辅助设备，所以其运行成本基本上就是专业仪器的折旧费和人工成本，测试成本比较低。它不仅用于DDS新品的测试和要求严格场合的二次测试，还可以对其他ADC和DAC产品进行测试。

该通用性的实施办法是制作测试高频多层DUT接口板即可。而高频多层DUT接口板是该测试系统中测试成本最低的部分。它的通用性还表现在通过改变外围测试仪器和连接方式可用于其他种类芯片的测试，即时域、频域和调制域信号分析。这样可以提升和拓展该系统，充分使用专用仪器。

由结果可得出该方法可以快速地对输出信号进行时域、频域和调制域的分析，还具有很好的实际应用可行性，现该系统已用于DDS芯片的测试工作。

[1]陈广聪.低噪声放大器LNA的测试系统设计、分析[J].电子产品可靠性与环境试验，2009.

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

[3]贺同云，江岩.表面贴装器件S参数测量方法研究[J].电子测量，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