關(guān)于射頻芯片測(cè)試的那些事

 

插入損耗、隔離度、開關(guān)時(shí)間、諧波……哪個(gè)是射頻開關(guān)測(cè)試痛點(diǎn)？

到底怎么測(cè)試插入損耗、隔離度和駐波比，其實(shí)很簡(jiǎn)單！

 

開關(guān)時(shí)間Switch Time

 

什么是開關(guān)時(shí)間？

 

開關(guān)時(shí)間(Switch Time)或切換時(shí)間指的是開關(guān)從“導(dǎo)通”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;截止”狀態(tài)或者從“截止”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;導(dǎo)通”狀態(tài)所需要的時(shí)間。具體來講是指從DUT接收到通道切換命令，到在被切換到的通道上信號(hào)的功率達(dá)到滿幅度值的90%的時(shí)間。

 

圖1: 開關(guān)時(shí)間測(cè)試

 

針對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試，根據(jù)通常會(huì)考慮使用高帶寬高速示波器來進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法是在兩個(gè)通道同時(shí)獲取DUT控制信號(hào)和射頻信號(hào)，并測(cè)量DUT控制信號(hào)的跳變沿和射頻信號(hào)到達(dá)相應(yīng)功率值時(shí)刻的時(shí)間差。

 

 

對(duì)于示波器而言，最關(guān)心的一個(gè)指標(biāo)就是帶寬。帶寬描述了從探針或測(cè)試夾具前端到ADC，輸入信號(hào)幅值損失最小時(shí)，可以通過模擬前端的頻率范圍。帶寬被定義為一個(gè)正弦波輸入，通過示波器后測(cè)得其原始幅值70.7%的頻率，也稱為-3dB點(diǎn)。在大多數(shù)情況下，我們建議示波器的帶寬是被測(cè)信號(hào)中最高頻率分量的2到5倍，將捕獲的信號(hào)幅度誤差影響降低到最小 (帶寬要求=(2~5)*頻率)。

 

對(duì)于射頻開關(guān)的實(shí)驗(yàn)室開關(guān)時(shí)間驗(yàn)證測(cè)試，需要進(jìn)行DUT控制信號(hào)與射頻開關(guān)輸出信號(hào)達(dá)到對(duì)應(yīng)功率值時(shí)刻的時(shí)間差，因此對(duì)于兩者而言，上升時(shí)間測(cè)量是其中的關(guān)鍵。

 

圖2顯示了一個(gè)500MHz范圍測(cè)量高斯模型的階躍響應(yīng)。當(dāng)階躍相應(yīng)的最高頻率是4倍于儀器帶寬時(shí)（紅色曲線），我們看到的基本上僅是示波器的階躍響應(yīng)而不是輸入信號(hào)的階躍響應(yīng)。因此在進(jìn)行上升時(shí)間測(cè)量中有相當(dāng)大的誤差(416%)。被測(cè)信號(hào)與示波器(黃色曲線)具有相同帶寬時(shí)，仍然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差（40%）。我們可以看到，在被測(cè)信號(hào)頻率是示波器帶寬的1/3(綠色曲線)時(shí)，上升時(shí)間測(cè)試結(jié)果將相對(duì)準(zhǔn)確（僅4.4%）。所以一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)方法是選擇一個(gè)至少是最高頻率3倍的模擬帶寬的示波器。

 

圖2：500MHz帶寬示波器對(duì)于不同階躍響應(yīng)的曲線
 

NI提供從400MHz到高達(dá)5GHz帶寬、分辨率從8位到14位的多種示波器選擇，滿足不同應(yīng)用下的測(cè)試任務(wù)。配合功能強(qiáng)大的交互式面板，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證性測(cè)試進(jìn)行界面友好的調(diào)試，并同時(shí)搭配多種語言支持的API，如LabVIEW，C，Python等，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化測(cè)試開發(fā)。

 

 

在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測(cè)試中使用高帶寬示波器可進(jìn)行快速的波形查看及上升時(shí)間計(jì)算，但是這個(gè)方法在量產(chǎn)測(cè)試中即使能夠滿足測(cè)試需求，但是面對(duì)量產(chǎn)中成本和測(cè)試時(shí)間上的要求，價(jià)格不菲的高帶寬的示波器在系統(tǒng)成本上是一個(gè)巨大的開銷；同時(shí)DUT的射頻輸出在系統(tǒng)連接線設(shè)計(jì)上，除了要接入射頻儀器外，還需要額外將輸出接入到示波器上，這樣將增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此，在量產(chǎn)測(cè)試中，我們會(huì)考慮其他設(shè)計(jì)方法。

 

進(jìn)行開關(guān)時(shí)間量產(chǎn)測(cè)試時(shí)，我們使用帶PPMU功能的NI Digital Pattern基于向量的數(shù)字儀器PXIe-6570，并配合NI VST矢量信號(hào)收發(fā)儀進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PXIe-6570包含具有觸發(fā)和Pattern排序的深度板載內(nèi)存。通過基于向量的Pattern，它可將芯片編程到已知狀態(tài)。而最重要的是，基于PXIe總線的測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)了高精度、低延時(shí)的定是同步機(jī)制，這樣的指標(biāo)對(duì)于兩個(gè)模塊之間同步觸發(fā)的問題得到了很好的解決。

 

 

NI為PXI和PXI Express機(jī)箱提供了定時(shí)和同步解決方案。 最新的PXI Express對(duì)PXI平臺(tái)進(jìn)行了改革，在保留向后兼容的同時(shí)，針對(duì)測(cè)量I/O設(shè)備，提供了比PXI-1更強(qiáng)大的同步功能。 具體體現(xiàn)在：

 

● PXI Express保留了原始的PXI規(guī)范中的10 MHz背板時(shí)鐘，以及單端PXI觸發(fā)總線和長(zhǎng)度匹配的PXI星形觸發(fā)信號(hào)。

 

● PXI Express還在背板上增加了100 MHz差分時(shí)鐘和差分星形觸發(fā)，提供增強(qiáng)的抗噪音能力和業(yè)界領(lǐng)先的同步精度（分別為250 ps和500 ps的模塊間延遲差）。 NI定時(shí)和同步模塊充分利用PXI和PXI Express機(jī)箱中的高級(jí)定時(shí)和觸發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

 

圖 3：基于PXI的定時(shí)同步機(jī)制
 

在量產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，我們也充分利用了PXI平臺(tái)觸發(fā)總線的高準(zhǔn)確度、低延時(shí)特性。如圖10所示，基于向量的數(shù)字儀器PXIe-6570在給出控制命令的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)事件觸發(fā)脈沖，這個(gè)脈沖通過PXI總線傳送到VST，觸發(fā)VST開始采集射頻信號(hào)。在系統(tǒng)中逐個(gè)檢查射頻信號(hào)采樣值的幅度，比較可得到第一個(gè)幅度滿足要求的采樣點(diǎn)，并且由于射頻信號(hào)采集的開始時(shí)刻就是開關(guān)切換的時(shí)刻，與滿足要求采樣點(diǎn)時(shí)間差乘以采樣周期就可以得到切換時(shí)間 。

 

通過這樣的方式將極大提升儀器的復(fù)用率，而不需要額外示波器進(jìn)行測(cè)試，降低了測(cè)試成本，并且也減少了儀器間切換的時(shí)間，提升測(cè)試效率。

 

圖4：基于向量的數(shù)字儀器及VST的開關(guān)時(shí)間測(cè)試

 

諧波行為由非線性器件引起，會(huì)導(dǎo)致在比發(fā)射頻率高數(shù)倍的頻率下產(chǎn)生輸出功率。由于許多無線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶外輻射進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，所以工程師會(huì)通過測(cè)量諧波來評(píng)估RF或FEM是否違反了這些輻射要求。

 

測(cè)量諧波功率的具體方法通常取決于RF的預(yù)期用途。對(duì)于通用RF等器件備來說，諧波測(cè)量需要使用連續(xù)波信號(hào)來激勵(lì)DUT，并測(cè)量所生成的不同頻率的諧波的功率。另外，測(cè)量諧波功率通常需要特別注意信號(hào)的帶寬特性。

 

 

使用連續(xù)波激勵(lì)測(cè)量諧波需要使用信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀。對(duì)于激勵(lì)信號(hào)，需要使用信號(hào)發(fā)生器生成具有所需輸出功率和頻率的連續(xù)波。信號(hào)發(fā)生器生成激勵(lì)信號(hào)后，信號(hào)分析儀在數(shù)倍于輸入頻率的頻率下測(cè)量輸出功率。常見的諧波測(cè)量有三次諧波和五次諧波，分別在3倍和5倍的激勵(lì)頻率下進(jìn)行測(cè)量。
 

 

 

RF信號(hào)分析儀提供了多種測(cè)量方法來測(cè)量諧波的輸出功率。一個(gè)直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菍⒎治鰞x調(diào)至諧波的預(yù)期頻率，并進(jìn)行峰值搜索以找到諧波。例如，如果要測(cè)量生成1GHz信號(hào)時(shí)的三次諧波，則三次諧波的頻率就是3GHz。

 

測(cè)量諧波功率的另一種方法是使用信號(hào)分析儀的零展頻（zero span）模式在時(shí)域中進(jìn)行測(cè)量。配置為零展頻模式的信號(hào)分析儀可以有效地進(jìn)行一系列功率帶內(nèi)測(cè)量，并將結(jié)果以時(shí)間的函數(shù)形式表現(xiàn)出來。在此模式下，可以在時(shí)域上測(cè)量選通窗口中不同頻率的功率，并使用信號(hào)分析儀內(nèi)置的取平均功能進(jìn)行計(jì)算。

 

除此之外，在射頻開關(guān)芯片的測(cè)試條件中一般規(guī)定了較大的輸入功率，因此需要外加射頻功率放大器將信號(hào)發(fā)生器的功率進(jìn)行放大后給被測(cè)器件。

 

 

在量產(chǎn)測(cè)試中，信號(hào)分析儀相對(duì)較高，因此依然可以使用矢量信號(hào)收發(fā)儀搭配高功率模塊來實(shí)現(xiàn)，最大化復(fù)用之前測(cè)試項(xiàng)所使用的儀器。

 

VST生成的單音射頻信號(hào)，經(jīng)NI的高功率模塊（NI 5534）放大，輸出功率可達(dá)38dBm，放大后的信號(hào)經(jīng)低通濾波達(dá)到被測(cè)器件，被測(cè)器件的輸出信號(hào)濾除主頻成分后，剩下的諧波成分通過輔助開關(guān)送入NI高功率模塊（NI 5534）的接收路徑，經(jīng)衰減后送入VST。

 

互調(diào)失真IMD

 

為了理解IMD，我們需要回顧一下非線性系統(tǒng)的多音信號(hào)理論。雖然單音激勵(lì)信號(hào)會(huì)在該信號(hào)頻率的每個(gè)倍數(shù)處產(chǎn)生諧波行為，但是多音信號(hào)產(chǎn)生的非線性產(chǎn)物需要在更寬的頻率范圍才會(huì)出現(xiàn)。

 

如圖5所示，DUT輸出端的二階失真產(chǎn)物出現(xiàn)在輸入信號(hào)頻率每個(gè)倍數(shù)的頻率處。f2 - f1, 2f1, f1 + f2,和2f2處產(chǎn)生的失真產(chǎn)物包含每個(gè)輸入音的二次諧波以及兩個(gè)輸入音頻率相加和相減頻率處的失真產(chǎn)物。

 

圖5： IMD理論
 

三階失真描述的是一階基音信號(hào)和每個(gè)二階失真產(chǎn)物之間的相互作用。事實(shí)上，通過數(shù)學(xué)計(jì)算，可以看到兩個(gè)特定的三階失真出現(xiàn)在接近基音頻率的頻率下。以一個(gè)實(shí)際應(yīng)用為例，當(dāng)DUT發(fā)送調(diào)制信號(hào)時(shí)，三階失真作為帶內(nèi)失真出現(xiàn)在鄰近感興趣頻帶的地方。

 

IMD測(cè)量描述的是基音和相鄰三階失真之間的功率差的比率，用dB表示。IMD測(cè)量的一個(gè)重要特征是一階和三階失真之間的功率比完全取決于每個(gè)音的絕對(duì)功率電平。

 

在許多器件的線性工作區(qū)域中，一階音和三階失真產(chǎn)物的比率常常很高。然而，隨著基音輸入功率的增加，三階失真產(chǎn)物也隨之增加。實(shí)際上，基音的功率每增加1 dB，互調(diào)失真產(chǎn)物會(huì)增加3 dB。

 

理論上，由于三階失真產(chǎn)物功率的增加速度會(huì)比基音功率增加的速度更快，所以兩種類型的信號(hào)在功率電平上最終相等，如圖18所示。從理論上來講，基音和三階失真產(chǎn)物功率相等的點(diǎn)為截?cái)帱c(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)也稱為三階截點(diǎn)（TOI或IP3）。

 

 

互調(diào)失真（IMD）和三階截點(diǎn)（TOI）是NI-RFSA軟件前面板（SFP）的內(nèi)置測(cè)量功能。進(jìn)行這些測(cè)量時(shí)，可以將信號(hào)分析儀的頻率設(shè)置為以兩個(gè)基音為中心頻率，以確保可以看見高于本地噪聲的三階失真產(chǎn)物。在NI-RFSA SFP上選擇檢測(cè)音，生成測(cè)量結(jié)果。NI-RFSA SFP會(huì)自動(dòng)識(shí)別基音的功率差以及三階失真產(chǎn)物的功率差，并顯示正確的測(cè)量結(jié)果。有關(guān)PXI RF信號(hào)分析儀的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問ni.com/rf/test。

 

 

圖 6： 基音信號(hào)功率每增加1 dB，三階失真產(chǎn)物功率增加3 dB

實(shí)際上，IP3/TOI是計(jì)算所得而非測(cè)量所得的結(jié)果。一階產(chǎn)物和三階產(chǎn)物之間的功率增加比是3:1，利用以下公式可以計(jì)算出IP3。

 

 

TOI是衡量射頻前端性能的重要指標(biāo)，因?yàn)镮MD比率取決于功率電平。TOI的測(cè)量將IMD性能的要素與絕對(duì)功率電平相結(jié)合，并通過一個(gè)數(shù)字來表示性能。

 

 

根據(jù)IMD測(cè)量理論，執(zhí)行該測(cè)量需要雙音激勵(lì)信號(hào)。在大多數(shù)應(yīng)用中，配置雙音激勵(lì)信號(hào)的首選方法是將RF信號(hào)發(fā)生器連接至RF功率組合器，如圖13 所示。

 

圖7： IMD測(cè)量需要連接至功率組合器的兩個(gè)信號(hào)產(chǎn)生器

由于IMD是一種常見的測(cè)量方式，許多RF信號(hào)分析儀具有內(nèi)置測(cè)量功能來測(cè)量IMD或IMD/TOI。事實(shí)上，NI-RFSA SFP可以自動(dòng)檢測(cè)基音和三階失真產(chǎn)物，并計(jì)算出IMD比。

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