丁志钊 单梅林 王盘伟 / 中电科仪器仪表有限公司；中国电子科技集团公司第四十一研究所

0 引言

功放芯片的主要性能指标包括增益、1 dB压缩点、群延时、AM/PM转换杂散、噪声系数、饱和输出功率、噪声功率密度和谐波抑制等[1-2]。

目前，从公开的国内外资料来看，无论是商用和工业级功放芯片测试，还是宇航级功放芯片测试，基本都是采用信号发生器、矢量网络分析仪、频谱分析仪和噪声仪等通用测试仪器，配合测试夹具和状态控制器，以衰减器、耦合器、带阻滤波器和开关网络等实现大功率输出信号调理和测试通道切换，从而最终实现功放芯片不同性能指标的测试[3-4]。需要说明的是，由于关注最终输出信号的信噪比，需要在芯片层级将噪声系数控制在10 dB左右，因此，本系统也将噪声系数列入了测试项目。

综合已有文献资料来看，目前对功放芯片测试基本都较为关注性能指标，对于测试安全性则提及不多，只是个别论文中提及了电源监控和基于性能指标异常情况下的测试中止保护[5-6]。

其实，功放芯片测试不仅仅是性能指标的测试过程，也必须综合考虑被测芯片自身、测试系统和测试数据等多方面的测试安全性问题。没有安全，测试效率再高也没有意义。

1 测试安全性问题由来

功放芯片往往要多路供电电源，并且需要按照顺序上电，并逆序断电。在发生供电异常的情况下，有可能会损害被测功放芯片。

在测试过程中，由于功放输出功率较大，测试仪器无法直接进行测试，这就涉及不同大功率测试附件的连接和更换。除噪声功率密度需要连接带阻滤波器外，其他指标测试需要连接大功率衰减器或定向耦合器。这就有可能发生错接或漏接，从而因功率过载烧毁测试系统。另外，由于质量管控和问题归零等需要，功放芯片设计制造和使用单位对于测试数据的完整性尤其重视。一旦发生突发中断，如何保存好已有数据，并且继续测试应不覆盖已有数据，这也是需要重点解决的安全性问题之一。

概括来说，所有功放芯片性能指标测试涉及与供电次序性和测试突发中断引起的安全性问题；而输出功率、寄生调制参数、增益、AM/PM变化系数、群时延、噪声系数、谐波、功率回退等参数测试可能引发错接或漏接大功率衰减器或定向耦合器而导致系统功率过载问题；噪声功率密度参数测试可能引发错接或漏接带阻滤波器而导致系统功率过载问题。

2 目标

根据上述安全性隐患，本文在测试安全性实现方面要达到以下目标：

1）错接或漏接大功率测试附件不会烧毁测试系统，并自动中止测试并告警。

2）确保按照顺序上电，并在异常断电的情况下，可以按照要求的顺序切断其他电源。

3）不会因测试突发中断而导致数据覆盖或丢失。

3 关键技术实现思路及方法

3.1 基于时序控制和多线程监控相结合的电源防护技术实现思路及方法

目前，对于涉及电源方面的保护，一般是采用多线程的方式监控电压、电流等性能指标，一旦发生异常，则依次切断相关电源输出，这在一定程度上解决了此类安全性问题。

当然，单单依靠监控方式也存在一定问题。在测试过程中，监控线程和测试线程有可能出现同时访问电源情况，这将引起资源访问冲突。为了确保安全访问共有资源，一般采用线程锁资源保护机制。在该机制中，将资源访问权限和操作系统中的线程锁对象进行关联实现资源保护。在特定的时间内，操作系统只允许一个线程获得特定的线程锁对象。若程序中某一线程占有线程锁较长时间，可能导致其他欲获得线程锁的线程等待较长时间。这种多线程方法虽然能使测试和安全防护程序顺利运行，但是，当出现资源访问冲突时需要等待，这就影响了安全防护的实时性[7-8]。

为了提高电源防护的实时性和可靠性，采用了基于时序控制和多线程监控相结合的电源防护技术。通过研制电源时序控制器这一硬件资源弥补实时性不足的弱点，并配合多线程监控方式，从软硬两个方式确保供电方面的安全。

1）基于时序控制的电源防护技术

以某型芯片为例，它需要±3.3 V和+5 V三路电源。上电顺序为-3.3 V、+3.3 V、+5V，断电顺序则正好相反。电源时序控制器主要实现电源上电顺序的二次调理和异常断电的保护功能，电源时序控制器原理图如图1所示。

上电时，-3.3 V电源进入电源时序控制器后，首先经过稳压电路调理，在进入控制电路的同时也输出至被测芯片，这样也能防止负电源过高损坏被测件。-3.3 V电源经限幅积分放大电路、控制电路1后成为+3.3 V电源的控制信号，此时已经输入至继电器输入端的+3.3 V电源方能输出。而在-3.3 V、+3.3 V电源的共同作用下，经比例放大电路、控制电路2后成为+5V电源的控制信号，此时已经输入至继电器输入端的+5 V电源方能输出。通过上述调理，确保按照-3.3 V、+3.3 V、+5 V顺序上电，前级电源没有输出，则后级电源也无法输出。

图1 电源时序控制器原理

而在异常情况下，若-3.3 V电源故障，由于限幅积分放大电路的延时作用，+3.3 V电源迟于+5 V电源切断，从而满足+5 V电源应先关断的要求。又若+3.3 V电源故障，控制电路2产生关闭继电器的控制信号，保证实现+5 V电源自动关闭。

上述控制过程无需软件参与，只是依靠硬件电路即可实现，实时性较高。

2）基于线程锁的电源防护技术

在软件方面，监控线程配合安全防护线程实现被测芯片异常状况的断电保护。自程控电源输出之时，主控计算机的监控线程和测试线程就已经启动。一方面测试线程进行性能指标测试，另一方面监控线程不断采集被测芯片的电压、电流等状态信息。一旦发现状态信息参数超过设定的门限，则会启动安全防护线程。安全防护线程申请测试线程释放直流程控电源资源，资源释放完毕后，安全防护线程就立即按照次序切断所有电源（异常中断记录流程图如图2所示）[9]。

某种意义上讲，实现上电、断电软硬件监控和保护不但是测试的刚性需求，而且也是测试系统内在软实力的体现。

3.2 基于小功率信号的测试通道连通性验证技术实现思路及方法

在正常情况下，被测功放芯片以及测试附件的技术指标是已知的，所以，当输入功率一定时，最终输出信号指标的合理范围是可以推算的。也就是说，可以通过测量输出信号的指标判定调理部件是否连接以及连接是否正确，当然要确保即使错接或漏接测试附件也不至于测试系统过载，这就要利用基于小功率信号的测试通道连通性验证技术。

图2 异常中断记录流程

指标测试开始之前，在当前通道的输入端灌入基准验证信号，基准验证信号需要确定功率和频率两个物理量。功率量确定原则为不超过系统过载阈值，并留有一定余量。另外，需要注意的是，系统中不同测试仪器的承受功率阈值并不一致。

式中：Pt—— 基准验证信号功率，dBm；

PH—— 测试系统中测试仪器承受功率阈值，dBm；

ILOUT—— 输出测试通道插入损耗，dB；

G—— 被测芯片增益，dB；

ILIN—— 输入测试通道插入损耗，dB

考虑到在工作频率范围内，一般频率越低，承受功率越大，因此，频率值可以选择工作频率的下限值。

启动通道连通性验证后，系统自动根据测试结果给出相应的提示和后续处理。若正常，则开始性能指标测试进程。若测试值严重偏大，说明测试通道衰减过小。根据测试项目，软件会提示“请检查测试通道，正确连接衰减器或滤波器”，并中止测试，同时进行声光电等不同形式的告警。若测试值严重偏小，说明测试通道衰减过大。根据测试项目，软件会提示“请检查测试通道，正确连接衰减器或滤波器”，并中止测试，同时进行声光电等不同形式的告警。

直至通过通道连通性验证后，系统方可启动正式测试。上述验证过程基于自动方式完成，无需人工干预，对测试效率影响也较小。

3.3 基于断点记录的测试突发中断恢复和数据保护技术实现思路及方法

在发生测试突发中断时，若要保证测试数据安全，需要保存已有测试数据，并记录中断原因及位置，进而能够定位问题和解决问题，并保证下次测试能够从中断位置继续测试。既不重复测试，又不遗漏测试。

按照当前的处理方式，伴随每一个测试项目产生的测试数据都实时存入数据库，因此，已有测试数据其实不会丢失，需要重点解决异常中断原因、位置记录和继续测试问题。

1）异常中断原因记录

记录中断原因进而排除测试过程中的问题，这是继续测试和获取测试数据的基础。测试过程中的异常中断主要分为两种：一种是可以预见的，即前文提到的状态监控线程检测异常而引发的中断，此时监控线程会记录异常数据并唤醒安全防护进程。另一种是不可预见的，即由于测试软件执行失败而引起的测试中断。对于第二种情况，通过软件监控线程和异常记录线程实现异常中断的记录，其流程图如图3 所示。

图3 异常中断记录流程

因执行异常中断后，软件将弹出对话框，并提示错误原因与出处。此时，异常记录线程检测到测试线程是因执行失败而中断就会获取当前对话框的句柄，并通过截图处理保存下来，最终实现异常中断原因和位置记录。

2）继续测试

记录中断位置的目的是继续测试时能够从已有测试数据的下一项测试开始执行。为了实现这一目标，测试序列每次将测试数据保存到数据库后，都会立即将当前测试序列的执行位置信息保存为永久变量，相当于保存到平台软件的配置文件中。这样无论是手动暂停，还是异常中断，下次测试时都可以实现从已有测试数据的下一个测试项目开始测试。

待故障排除后重启测试，中断位置信息作为测试序列执行的前置条件，即序列从头开始运行，如果当前测试项目与保存的中断位置、芯片型号、编号、测试项目、通道等信息不匹配则跳过，直到找到正确的位置。

通过上述设计，测试软件具备很强的容错能力和故障可恢复能力，兼顾保证了测试连续性和数据安全性。

4 安全性验证及效果

以某型功放芯片为测试验证对象，搭建了完整的测试验证系统，系统主要设备清单如表1 所示。

表1 系统主要设备

同时，本文也进行了相关测试安全性性能验证，实现效果如下所示：

1）电源安全性验证

（1）不加 -3.3 V 电源，+3.3 V 和 +5 V 电源无法输出至被测芯片；

（2）-3.3 V 和 +3.3 V 任一路电源不加，+5 V 电源无法输出至被测芯片；

（3）断开+3.3V 电源，+5 V 自动断开，响应时间为毫秒级；

（4）断开-3.3 V 电源，利用示波器测试可知+5 V 电源早于 +3.3 V 电源断开。

2）测试通道连通性验证

（1）当测试功率等性能指标时，不连接衰减器或连接错误衰减量衰减器，系统软件提示“请正确连接衰减器”，并中止测试。

（2）当测试噪声功率密度等性能指标时，不连接滤波器或连接错误插入损耗值的滤波器，系统软件提示“请正确连接滤波器”，并中止测试。

3）测试突发中断恢复和测试数据安全性验证

（1）关断某一测试仪器，引起测试突发中断，再将仪器开机，可以通过“继续测试”软件按钮重新启动测试；

（2）查看异常中断前的测试数据，重新启动测试后，数据未丢失，也未被覆盖。

5 结语

试验验证表明：基于小功率信号的测试通道连通性验证、基于时序控制和多线程监控的电源防护、基于断点记录的测试突发中断恢复和数据保护等技术很好地解决了供电、测试系统和测试数据等方面的安全性问题，也具有一定推广应用价值，可以为其他类似测试系统提供参考和借鉴。测试安全性问题不可回避，并应当着力加强相关新技术、新方法研究与实现，在更准、更快的前提下力求实现更安全的测试。