關於射頻芯片測試的那些事

 

插入損耗、隔離度
、開關時間
、諧波……哪個是射頻開關測試痛點？

到底怎麼測試插入損耗


、隔離度和駐波比，其實很簡單！

 

開關時間Switch Time

 

什麼是開關時間
？

 

開關時間(Switch Time)或切換時間指的是開關從“導通”狀態轉變為“截止”狀態或者從“截止”狀態轉變為“導通”狀態所需要的時間。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的功率達到滿幅度值的90%的時間。

 

圖1: 開關時間測試

 

針對於實驗室的測試，根據通常會考慮使用高帶寬高速示波器來進行測試。測試方法是在兩個通道同時獲取DUT控製信號和射頻信號

，並測量DUT控製信號的跳變沿和射頻信號到達相應功率值時刻的時間差。

 

 

對於示波器而言，最關心的一個指標就是帶寬。帶寬描述了從探針或測試夾具前端到ADC，輸入信號幅值損失最小時，可以通過模擬前端的頻率範圍。帶寬被定義為一個正弦波輸入
，通過示波器後測得其原始幅值70.7%的頻率

，也稱為-3dB點。在大多數情況下
，我們建議示波器的帶寬是被測信號中最高頻率分量的2到5倍，將捕獲的信號幅度誤差影響降低到最小 (帶寬要求=(2~5)*頻率)。

 

對於射頻開關的實驗室開關時間驗證測試
，需要進行DUT控製信號與射頻開關輸出信號達到對應功率值時刻的時間差
，因此對於兩者而言

，上升時間測量是其中的關鍵。

 

圖2顯示了一個500MHz範圍測量高斯模型的階躍響應。當階躍相應的最高頻率是4倍於儀器帶寬時（紅色曲線），我們看到的基本上僅是示波器的階躍響應而不是輸入信號的階躍響應。因此在進行上升時間測量中有相當大的誤差(416%)。被測信號與示波器(黃色曲線)具有相同帶寬時，仍然會導致嚴重的誤差（40%）。我們可以看到
，在被測信號頻率是示波器帶寬的1/3(綠色曲線)時，上升時間測試結果將相對準確（僅4.4%）。所以一個很好的經驗方法是選擇一個至少是最高頻率3倍的模擬帶寬的示波器。

 

圖2：500MHz帶寬示波器對於不同階躍響應的曲線
 

NI提供從400MHz到高達5GHz帶寬、分辨率從8位到14位wei的de多duo種zhong示shi波bo器qi選xuan擇ze，滿man足zu不bu同tong應ying用yong下xia的de測ce試shi任ren務wu。配pei合he功gong能neng強qiang大da的de交jiao互hu式shi麵mian板ban，實shi現xian實shi驗yan室shi驗yan證zheng性xing測ce試shi進jin行xing界jie麵mian友you好hao的de調tiao試shi，並bing同tong時shi搭da配pei多duo種zhong語yu言yan支zhi持chi的deAPI，如LabVIEW，C，Python等
，實現快速實驗室的自動化測試開發。

 

 

zaishiyanshiyanzhengceshizhongshiyonggaodaikuanshiboqikejinxingkuaisudeboxingzhakanjishangshengshijianjisuan

，danshizhegefangfazailiangchanceshizhongjishinenggoumanzuceshixuqiu
，danshimianduiliangchanzhongchengbenheceshishijianshangdeyaoqiu
，jiagebufeidegaodaikuandeshiboqizaixitongchengbenshangshiyigejudadekaixiao；同時DUT的de射she頻pin輸shu出chu在zai係xi統tong連lian接jie線xian設she計ji上shang，除chu了le要yao接jie入ru射she頻pin儀yi器qi外wai，還hai需xu要yao額e外wai將jiang輸shu出chu接jie入ru到dao示shi波bo器qi上shang，這zhe樣yang將jiang增zeng加jia了le係xi統tong的de複fu雜za度du。因yin此ci
，在zai量liang產chan測ce試shi中zhong，我wo們men會hui考kao慮lv其qi他ta設she計ji方fang法fa。

 

進行開關時間量產測試時，我們使用帶PPMU功能的NI Digital Pattern基於向量的數字儀器PXIe-6570，並配合NI VST矢量信號收發儀進行係統設計。PXIe-6570包含具有觸發和Pattern排序的深度板載內存。通過基於向量的Pattern，它可將芯片編程到已知狀態。而最重要的是，基於PXIe總線的測試平台設計了高精度、低延時的定是同步機製
，這樣的指標對於兩個模塊之間同步觸發的問題得到了很好的解決。

 

 

NI為PXI和PXI Express機箱提供了定時和同步解決方案。 最新的PXI Express對PXI平台進行了改革
，在保留向後兼容的同時，針對測量I/O設備，提供了比PXI-1更強大的同步功能。 具體體現在：

 

● PXI Express保留了原始的PXI規範中的10 MHz背板時鍾，以及單端PXI觸發總線和長度匹配的PXI星形觸發信號。

 

● PXI Express還在背板上增加了100 MHz差分時鍾和差分星形觸發，提供增強的抗噪音能力和業界領先的同步精度（分別為250 ps和500 ps的模塊間延遲差）。 NI定時和同步模塊充分利用PXI和PXI Express機箱中的高級定時和觸發技術優勢。

 

圖 3：基於PXI的定時同步機製
 

在量產測試係統設計上
，我們也充分利用了PXI平台觸發總線的高準確度、低延時特性。如圖10所示
，基於向量的數字儀器PXIe-6570在給出控製命令的同時
，產生一個事件觸發脈衝
，這個脈衝通過PXI總線傳送到VST，觸發VST開kai始shi采cai集ji射she頻pin信xin號hao。在zai係xi統tong中zhong逐zhu個ge檢jian查zha射she頻pin信xin號hao采cai樣yang值zhi的de幅fu度du，比bi較jiao可ke得de到dao第di一yi個ge幅fu度du滿man足zu要yao求qiu的de采cai樣yang點dian，並bing且qie由you於yu射she頻pin信xin號hao采cai集ji的de開kai始shi時shi刻ke就jiu是shi開kai關guan切qie換huan的de時shi刻ke，與yu滿man足zu要yao求qiu采cai樣yang點dian時shi間jian差cha乘cheng以yi采cai樣yang周zhou期qi就jiu可ke以yi得de到dao切qie換huan時shi間jian 。

 

tongguozheyangdefangshijiangjidatishengyiqidefuyonglv，erbuxuyaoewaishiboqijinxingceshi
，jiangdileceshichengben，bingqieyejianshaoleyiqijianqiehuandeshijian，tishengceshixiaolv。

 

圖4：基於向量的數字儀器及VST的開關時間測試

 

諧xie波bo行xing為wei由you非fei線xian性xing器qi件jian引yin起qi，會hui導dao致zhi在zai比bi發fa射she頻pin率lv高gao數shu倍bei的de頻pin率lv下xia產chan生sheng輸shu出chu功gong率lv。由you於yu許xu多duo無wu線xian標biao準zhun對dui帶dai外wai輻fu射she進jin行xing了le嚴yan格ge的de規gui定ding
，所suo以yi工gong程cheng師shi會hui通tong過guo測ce量liang諧xie波bo來lai評ping估guRF或FEM是否違反了這些輻射要求。

 

測量諧波功率的具體方法通常取決於RF的預期用途。對於通用RF等器件備來說
，諧波測量需要使用連續波信號來激勵DUT
，並測量所生成的不同頻率的諧波的功率。另外


，測量諧波功率通常需要特別注意信號的帶寬特性。

 

 

使shi用yong連lian續xu波bo激ji勵li測ce量liang諧xie波bo需xu要yao使shi用yong信xin號hao發fa生sheng器qi和he信xin號hao分fen析xi儀yi。對dui於yu激ji勵li信xin號hao
，需xu要yao使shi用yong信xin號hao發fa生sheng器qi生sheng成cheng具ju有you所suo需xu輸shu出chu功gong率lv和he頻pin率lv的de連lian續xu波bo。信xin號hao發fa生sheng器qi生sheng成cheng激ji勵li信xin號hao後hou，信xin號hao分fen析xi儀yi在zai數shu倍bei於yu輸shu入ru頻pin率lv的de頻pin率lv下xia測ce量liang輸shu出chu功gong率lv。常chang見jian的de諧xie波bo測ce量liang有you三san次ci諧xie波bo和he五wu次ci諧xie波bo

，分fen別bie在zai3倍和5倍的激勵頻率下進行測量。
 

 

 

RF信xin號hao分fen析xi儀yi提ti供gong了le多duo種zhong測ce量liang方fang法fa來lai測ce量liang諧xie波bo的de輸shu出chu功gong率lv。一yi個ge直zhi截jie了le當dang的de方fang法fa是shi將jiang分fen析xi儀yi調tiao至zhi諧xie波bo的de預yu期qi頻pin率lv
，並bing進jin行xing峰feng值zhi搜sou索suo以yi找zhao到dao諧xie波bo。例li如ru，如ru果guo要yao測ce量liang生sheng成cheng1GHz信號時的三次諧波
，則三次諧波的頻率就是3GHz。

 

測量諧波功率的另一種方法是使用信號分析儀的零展頻（zero span）moshizaishiyuzhongjinxingceliang。peizhiweilingzhanpinmoshidexinhaofenxiyikeyiyouxiaodijinxingyixiliegonglvdaineiceliang

，bingjiangjieguoyishijiandehanshuxingshibiaoxianchulai。zaicimoshixia
，keyizaishiyushangceliangxuantongchuangkouzhongbutongpinlvdegonglv，bingshiyongxinhaofenxiyineizhidequpingjungongnengjinxingjisuan。

 

除chu此ci之zhi外wai
，在zai射she頻pin開kai關guan芯xin片pian的de測ce試shi條tiao件jian中zhong一yi般ban規gui定ding了le較jiao大da的de輸shu入ru功gong率lv
，因yin此ci需xu要yao外wai加jia射she頻pin功gong率lv放fang大da器qi將jiang信xin號hao發fa生sheng器qi的de功gong率lv進jin行xing放fang大da後hou給gei被bei測ce器qi件jian。

 

 

zailiangchanceshizhong
，xinhaofenxiyixiangduijiaogao
，yinciyirankeyishiyongshiliangxinhaoshoufayidapeigaogonglvmokuailaishixian，zuidahuafuyongzhiqianceshixiangsuoshiyongdeyiqi。

 

VST生成的單音射頻信號，經NI的高功率模塊（NI 5534）放大
，輸出功率可達38dBm，放大後的信號經低通濾波達到被測器件，被測器件的輸出信號濾除主頻成分後，剩下的諧波成分通過輔助開關送入NI高功率模塊（NI 5534）的接收路徑，經衰減後送入VST。

 

互調失真IMD

 

為了理解IMD
，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)回(hui)顧(gu)一(yi)下(xia)非(fei)線(xian)性(xing)係(xi)統(tong)的(de)多(duo)音(yin)信(xin)號(hao)理(li)論(lun)。雖(sui)然(ran)單(dan)音(yin)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)會(hui)在(zai)該(gai)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)的(de)每(mei)個(ge)倍(bei)數(shu)處(chu)產(chan)生(sheng)諧(xie)波(bo)行(xing)為(wei)
，但(dan)是(shi)多(duo)音(yin)信(xin)號(hao)產(chan)生(sheng)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)產(chan)物(wu)需(xu)要(yao)在(zai)更(geng)寬(kuan)的(de)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)才(cai)會(hui)出(chu)現(xian)。

 

如圖5所示，DUT輸出端的二階失真產物出現在輸入信號頻率每個倍數的頻率處。f2 - f1, 2f1, f1 + f2,和2f2處產生的失真產物包含每個輸入音的二次諧波以及兩個輸入音頻率相加和相減頻率處的失真產物。

 

圖5： IMD理論
 

三san階jie失shi真zhen描miao述shu的de是shi一yi階jie基ji音yin信xin號hao和he每mei個ge二er階jie失shi真zhen產chan物wu之zhi間jian的de相xiang互hu作zuo用yong。事shi實shi上shang
，通tong過guo數shu學xue計ji算suan，可ke以yi看kan到dao兩liang個ge特te定ding的de三san階jie失shi真zhen出chu現xian在zai接jie近jin基ji音yin頻pin率lv的de頻pin率lv下xia。以yi一yi個ge實shi際ji應ying用yong為wei例li，當dangDUT發送調製信號時，三階失真作為帶內失真出現在鄰近感興趣頻帶的地方。

 

IMD測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測量的一個重要特征是一階和三階失真之間的功率比完全取決於每個音的絕對功率電平。

 

在(zai)許(xu)多(duo)器(qi)件(jian)的(de)線(xian)性(xing)工(gong)作(zuo)區(qu)域(yu)中(zhong)
，一(yi)階(jie)音(yin)和(he)三(san)階(jie)失(shi)真(zhen)產(chan)物(wu)的(de)比(bi)率(lv)常(chang)常(chang)很(hen)高(gao)。然(ran)而(er)
，隨(sui)著(zhe)基(ji)音(yin)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)，三(san)階(jie)失(shi)真(zhen)產(chan)物(wu)也(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)加(jia)。實(shi)際(ji)上(shang)，基(ji)音(yin)的(de)功(gong)率(lv)每(mei)增(zeng)加(jia)1 dB，互調失真產物會增加3 dB。

 

理論上，由於三階失真產物功率的增加速度會比基音功率增加的速度更快，所以兩種類型的信號在功率電平上最終相等
，如圖18所示。從理論上來講，基音和三階失真產物功率相等的點為截斷點，這個點也稱為三階截點（TOI或IP3）。

 

 

互調失真（IMD）和三階截點（TOI）是NI-RFSA軟件前麵板（SFP）的(de)內(nei)置(zhi)測(ce)量(liang)功(gong)能(neng)。進(jin)行(xing)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)時(shi)
，可(ke)以(yi)將(jiang)信(xin)號(hao)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)頻(pin)率(lv)設(she)置(zhi)為(wei)以(yi)兩(liang)個(ge)基(ji)音(yin)為(wei)中(zhong)心(xin)頻(pin)率(lv)，以(yi)確(que)保(bao)可(ke)以(yi)看(kan)見(jian)高(gao)於(yu)本(ben)地(di)噪(zao)聲(sheng)的(de)三(san)階(jie)失(shi)真(zhen)產(chan)物(wu)。在(zai)NI-RFSA SFP上選擇檢測音，生成測量結果。NI-RFSA SFP會自動識別基音的功率差以及三階失真產物的功率差，並顯示正確的測量結果。有關PXI RF信號分析儀的更多信息，請訪問ni.com/rf/test。

 

 

圖 6： 基音信號功率每增加1 dB，三階失真產物功率增加3 dB

實際上

，IP3/TOI是計算所得而非測量所得的結果。一階產物和三階產物之間的功率增加比是3:1，利用以下公式可以計算出IP3。

 

 

TOI是衡量射頻前端性能的重要指標
，因為IMD比率取決於功率電平。TOI的測量將IMD性能的要素與絕對功率電平相結合，並通過一個數字來表示性能。

 

 

根據IMD測量理論

，執行該測量需要雙音激勵信號。在大多數應用中，配置雙音激勵信號的首選方法是將RF信號發生器連接至RF功率組合器
，如圖13 所示。

 

圖7： IMD測量需要連接至功率組合器的兩個信號產生器

由於IMD是一種常見的測量方式，許多RF信號分析儀具有內置測量功能來測量IMD或IMD/TOI。事實上，NI-RFSA SFP可以自動檢測基音和三階失真產物，並計算出IMD比。

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