GaAs 多功能MMIC 在片測試系統設計

陳金遠，焦 芳，王逸銘，林 罡

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

GaAs 微波單片集成電路（MMIC）因其良好的微波性能、高可靠性以及體積小等優點廣泛應用于各類微波系統。隨著GaAs 工藝集成度的提高，GaAs MMIC 芯片形式也不再局限于低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、衰減器、移相器、開關等單功能電路，通過工藝集成在一塊芯片上實現多種功能的電路設計、加工技術日趨成熟。多功能電路對電路設計、工藝加工、測試能力都提出較高的要求，常規情況下測試MMIC 不同的功能參數需要使用不同的專用儀器來完成測量。芯片在片測試需要針對多功能MMIC 測試系統進行設計，實現一次接觸完成全參數測試，以減少探針對芯片鍵合點的破壞。

2 多功能MMIC 測試需求分析

圖1 是典型GaAs 多功能MMIC 的集成形式[1]，通過特定工藝將微波電路與數字邏輯電路集成加工在一塊芯片中，芯片中包含放大器、開關、衰減器等微波電路，還包括串并轉換（SPC）、驅動器等邏輯電路。

圖1 典型GaAs 多功能MMIC

使用集成有邏輯電路的多功能MMIC 可以有效減少系統尺寸，不同應用背景下多功能MMIC 形式與功能不盡相同[2-3]，但包含的子電路單元不外乎傳統單功能電路類型。因此，測試系統同時滿足子電路單元中微波電路與邏輯電路的測量要求即可。

2.1 微波電路測量需求

多功能MMIC 包含的各類子電路測量參數包含線性參數、非線性參數及噪聲參數。線性參數主要是指S 參數，包括各分量的幅度和相位；非線性參數主要包括電路1 dB 壓縮點、飽和輸出功率、工作效率等；噪聲參數主要指噪聲系數。測試系統頻率需求覆蓋至毫米波頻段，另外在測試通道上具備可擴展能力。

2.2 邏輯電路測量需求

邏輯電路測量需求主要包括邏輯輸入的驅動能力需求和邏輯輸出電平的檢測需求。系統需要提供的驅動信號和檢測信號包含串行、并行兩類。同時，多功能MMIC 的高度定制化要求決定了邏輯信號驅動與檢測在時鐘頻率、時序及電平等方面靈活可定義。

綜合分析現有GaAs 多功能MMIC 產品各子電路，系統設計目標可概括為如表1 所示。

表1 測試系統設計目標

3 測試系統設計

3.1 微波測量設計

表2 中給出了GaAs 多功能MMIC 產品各項參數在片測試需要使用的專用測量儀器。

表2 微波測量參數對應所需儀器

系統若采用以上多種測量儀器集成方式，需引入多微波開關、接頭、電纜等測試附件，給測試系統的穩定性增加了不確定性。

PNA-X 矢量網絡分析儀的測試能力可以同時滿足表2 中微波參數的測量需求，可以單次連接進行S參數、功率和噪聲的測量，支持變頻類器件的參數測試[4]。因此將PNA-X 矢量網絡分析儀作為測試平臺的微波參數測試儀器可以有效簡化測試系統結構。

圖2 為采用PNA-X 矢量網絡分析儀的多功能MMIC 在片測試系統框圖，系統中未使用信號源、頻譜儀、噪聲系數分析儀，功率計也僅作為系統功率校準使用，系統結構盡可能精簡。

圖2 采用PNA-X 的多功能MMIC 在片測試系統框圖

GaAs 器件在非線性工作狀態下工作電流表現頻率特性，在信號源與功率計結合的測試方法中可以采用電源讀取或串接電流表的方法直接獲得工作電流。在使用網絡分析儀進行壓縮或飽和狀態掃描測量時，其掃頻速度與電源電流采集速度難以匹配，需要設計電流采集電路使用網絡分析儀進行同步電流采集[5]，系統采用的優化采集方法如圖3 所示。

圖3 利用采集電路進行工作電流采集

在電源Force 端串接探測電阻（Rs），當電流經過探測電阻時，在電阻兩端產生電壓V1、V2經過運算放大器放大后，提供給網絡分析儀內置電壓表（AI1、AI2）。當采集電流較小時，可以調整電阻Rs大小或調整運算放大器增益（G）來降低測量誤差，得到待測電路的工作電流：

3.2 邏輯驅動與測量設計

常規邏輯驅動與測量解決方案需要函數發生器、邏輯分析儀、示波器、萬用表等，這種基于臺式分立儀器的系統架構容易實現，但總體成本高，通道資源少，靈活性不足，不易維護。

PXI 系統提供了一個基于PC 的高性能測試平臺，基于行業標準，可以在不同廠商硬件之間兼容互換使用，這給測試系統集成提供了便捷，PXI 模塊化儀器可以滿足測試需求[6]。

3.2.1 串行信號的驅動與檢測

采用數字I/O 模塊替代臺式儀器中的函數發生器、示波器等，單模塊可以實現32 通道的串行輸出或輸入信號的頻率、幅度檢測，同時滿足待測電路的串行驅動和輸出信號的檢測需求。

串行信號的采集與判斷需要同步信號為時間基準，多功能MMIC 的串行輸出信號檢測需要確定時間參考。針對輸出參考時鐘（CLK）端口缺失情況，系統統一采用輸入時鐘信號作為參考基準。串行輸出信號經過電路和傳輸線后相對輸入信號存在時延Δt，如圖4所示，當時鐘頻率提高后Δt 與時鐘半周期T/2 相當時，串行信號檢測會出現錯誤結果輸出。在控制程序中通過高時鐘信號檢測進行迭代運算，獲得最優時延Δt 與對應MMIC 測試匹配，消除因時延誤差引起的錯誤結果輸出。

圖4 串行輸入、輸出信號時間關系

3.2.2 并行信號的驅動與檢測

采用模塊化模擬輸出儀器替代臺式儀器中的多路開關控制單元，單模擬輸出模塊可支持32 位模擬電壓獨立輸出，輸出電壓±10 V 范圍可定義，可以同時滿足HEMT 及PIN 類微波控制電路的驅動信號需求。

采用數據采集卡替代用于并行輸出電壓檢測的電壓表等臺式儀器，選用差分電壓采集模式，可以有效抑制共模干擾，保證電壓測量精度。

4 系統實現

采用PXI 模塊化儀器集成邏輯驅動、測試部分，與矢量網絡分析儀、電源、探針臺實現完整的GaAs 多功能MMIC 在片測試系統。

圖5 為多功能MMIC 測試矢網顯示界面，采用毫米波網絡分析儀滿足2～40 GHz 頻率需求，各項測試參數在同一校準狀態下采用內部通道切換優化測試速度。線性S 參數通道同步顯示和采集靜態工作電流，在功率與壓縮特性測試通道同步顯示和采集動態工作電流。

圖5 多功能多通道測試界面

圖6 顯示串、并行信號的電平輸出和檢測設置，對串行信號頻率、時鐘以及輸出通道數可以自定義設置，滿足了表1 中多功能MMIC 的邏輯驅動和測試要求。

圖6 串并行信號驅動和檢測設置

圖7 為典型串行信號檢測時域波形顯示，行0 為輸入時鐘信號，行1 為輸入數據信號，行2 為輸出數據信號，延時Δt 設置保證串行信號檢測同步。

圖7 串行輸出信號波形顯示

圖8 給出在片測試平臺幅度、相位穩定性驗證結果，在整個驗證頻帶內，測試平臺的整體幅度穩定性為0.1 dB，相位穩定性為1°，另外并行輸出電平檢測精確到1 mV，測試能力滿足系統要求。

圖8 測試系統幅相穩定性驗證

5 結論

綜上所述，基于PXI 的模塊化儀器與PNA-X 網絡分析儀的GaAs 多功能MMIC 在片測試系統設計滿足使用要求，系統平臺的幅度穩定性、相位穩定性、并行輸出電平檢測精確度等可以保證測試可靠性，達到了設計目標。