CN101216528A - 用于微波功率放大器芯片的在片测试方法及其测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于微波功率放大器芯片在片测试的方法及其测试系统，属于微波通信中的芯片测试技术领域。特征在于通过脉冲方式的偏置电压大大降低了热量对微波功率放大器性能上的影响，真正的实现了芯片的探针台在片测试，免除了封装以及外部散热系统的安装。脉冲调制和脉冲产生装置利用了晶体管的开关特性来调制脉冲信号作为微波功率放大器的偏置。用直流脉冲信号连接在晶体管的栅极作为其栅极电压以控制晶体管沟道的开启和关闭，当脉冲信号的正压加载时，晶体管的沟道建立，连接在晶体管漏极的电流源就会通过沟道，施加电流在源极的负载上；当脉冲信号的零压加载时，晶体管的沟道就被截止，电流源就会无法通过沟道到达源级，负载上无电流通过。

Description

用于微波功率放大器芯片的在片测试方法及其测试系统
技术领域
本发明涉及了一种用于微波功率放大器芯片在片测试方法及系统，所述的方法适用于各种频段的微波功率放大器芯片，广泛的应用于各种微波功率放大器的功率测试和增益测试。属于微波通信中的芯片测试技术领域。
背景技术
对于GaAs FET(砷化镓场效应管)器件而言，沟道温度对于其射频特性，直流特性都有很大的影响，这是由于GaAs基底不具有很好的热沉能力的缘故；这种特性在功率芯片的基于探针台的在片(on wafer)测试中表现的尤为突出。随着沟道温度的升高，芯片的特性呈现出急剧恶化的趋势。因此，基于等温环境的脉冲偏置测量系统被提出。
所谓脉冲测试就是将直流馈电电压由连续直流变成一个一个的直流脉冲。放大器只在脉冲内工作，而在其余的时间内由于没有直流电压而不工作。这样在脉冲周期内工作所产生的热量能够在没有脉冲的周期内得到充分的散发，从而缓解了对散热系统的要求，控制了芯片温度的上升。
图(1)显示了美国Huei.Wang在IEEE上发表的一种用于W波段的微波功率放大器芯片测试的脉冲测试系统的脉冲发生调制部分(Huei Wang et al.IEEE Microwave and guided Wave Letters.Vol5 No.12.P.429-431，1995)；图(2)显示了澳洲A.Platzker等人搭建的用于半导体I-V特性测试的脉冲测试系统中的脉冲发生调制部分(A.Platgker et al.1990 IEEE MTT-S DigesP.1137-1140)；可以清楚的发现，上述各国科学家在脉冲发生调制部分都不约而同的使用了商业公司生产的专用脉冲调制模块和脉冲发生器。这样搭建的测试系统固然可以达到目的，但是带来的负面效应是不仅价格昂贵，而且在实际应用中容易受到相关仪表供应商的影响，不利于科研活动的顺利开展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于微波功率放大器芯片的在片测试方法及其测试系统。本发明提供的方法不仅使芯片的探针台在片测试成为可能，又避免了封装，免除了外加的散热系统。依提供的在片测试方法设计的脉冲调制及发生的系统，不仅可以完成上述国外同类装置所能够实现的性能指标，而且造价低廉，在实际应用中，减少了计算机控制系统中软件编程的工作量，使同步更易实现。
本发明的特征在于利用了晶体管的开关特性来调制脉冲信号。用直流脉冲信号连接在晶体管的栅极作为其栅极电压以控制场效应管沟道的开启和关闭，当脉冲信号的正压加载时，晶体管的沟道建立，连接在晶体管漏极的电流源就会通过沟道，施加电流在源极的负载上；当脉冲信号的零压加载时，晶体管的沟道就被截止，电流源就会无法通过沟道到达源极，这样负载上无电流通过。
在本发明提供的用于微波功率放大器芯片的在片测试方法的实际测试中，先产生一个可以承载大电流的脉冲信号，来作为功率器件的偏置信号。为此，本发明利用了晶体管的开关特性来调制脉冲信号，如图3所示，将直流脉冲信号连接在晶体管的栅极作为其栅极电压以控制晶体管沟道的开启和关闭，当脉冲信号的正压加载时，晶体管的沟道建立，相当于开关闭合，连接在晶体管漏极的电流源就会通过沟道，施加电流在源极的负载上；当脉冲信号的零压加载时，晶体管的沟道就被截止，相当于开关断开，电流源就会无法通过沟道到达源极，这样负载上无电流通过；如果使用的开关能够承担足够大的电流以满足功率放大器的工作点需要时，这样，就得到了所需要的大电流脉冲偏置。实际测试中，脉冲的宽度由开关的通断频率决定。采用信号发生器发出的脉冲信号作为晶体管的栅极控制信号，控制沟道开启和关闭的速度，以调制最后得到的大电流脉冲信号的占空比和频率。采用如上脉冲测试装备对大功率的功率放大器进行直流脉冲的偏置方法，简便的实现了大电流情况下的短脉冲，有效的降低了功耗。
由此可见，本发明提供的在片测试方法特征在于：
①利用了晶体管的开关特性，加载大电流的直流电平来调制信号发生器发出的脉冲信号，使之达到功率放大器的直流工作要求。发明的优越性在于采用所述的设计方法，可以实现芯片的探针台在片测试，避免了封装，免除了外部散热系统的安装，解决了常规装置中的脉冲发生器加脉冲调制器的组合，大大降低了成本，减轻了测试复杂度。
②所述的脉冲调制和产生的方法是采用信号发生器发出的脉冲信号作为晶体管的栅极控制信号，控制沟道开启和关闭的速度，以调制最后得到的大电流脉冲信号的占空比和频率。占空比降到≤1％时，沟道温度已不是影响FET射频特性的主要因素。与脉宽无直接关联。
③本发明使用脉冲的直流电压作为待测件的直流偏置，在脉冲周期内工作所产生的热量能够在没有脉冲的周期内得到充分的散发，这样真正的实现了芯片的探针台在片测试，无封装，无外加散热系统。
④所述的脉冲调制和产生技术是采用大电流直流电压源发出的直流电压连接在晶体管的漏极，当沟道开启时，该信号通过源极加载在负载两端作为其直流偏置，从而使待测件达到工作点。
本发明依芯片在片测试方法设计的系统如图5所示。所述的系统分为操作系统控制部分和硬件部分。前者的实现基于高级编程语言的控制系统；后者包括大电流脉冲的实现和加载在芯片上，通过与在测芯片相连接的电流探测计和电压探测计(示波器)对芯片的直流工作点进行实时监控，功率计对芯片的工作状态作检测。
信号发生器连接到晶体管开关的栅极，作为晶体管的栅极控制信号；直流偏置发出大电流直流电压连接在晶体管的漏极；通过源极将脉冲信号加载在片测试的芯片(待测件)两端。
使用本发明上述设计的系统具体实施时，在控制程序初始中，先设置信号发生器的发生波形，在本装置中，选择脉冲波形，在控制界面里设置其脉冲波形参数；其后再配置直流偏置电压的输出及其参数；在偏置条件建立之后，使用配置频谱仪及示波器作监控。图4所示为施加在待测件上的脉冲波形于示波器上的显示。其中脉宽为10μs。
本发明提供的使用脉冲偏置的微波功率放大器芯片在片测试方法，使测试完全摆脱了封装对其性能的歪曲影响，避免了封装，使用脉冲的直流电压作为待测件的直流偏置，在脉冲周期内工作所产生的热量能够在没有脉冲的周期内得到充分的散发，这样真正的实现了芯片的探针台在片测试；免除了外部散热系统的安装，解决了常规装置中的脉冲发生器加脉冲调制器的组合，大大降低了成本，减轻了测试复杂度，免除了加装散热系统带来的时间上和经济上的损失。
附图说明
图1为Huei.Wang的用于W波段的微波功率放大器芯片脉冲测试系统的脉冲发生调制部分框图
图2为A.Platzker等人搭建的用于半导体I-V特性测试的脉冲发生调制部分框图
图3为利用场效应管的开关特性调制脉冲电压的功能框图图中1.脉冲信号发生器；
2.晶体管：其中21为晶体管的栅极；22为晶体管的漏极；23为晶体管的源极；
3.直流电源；
4.待测件(在片测试的芯片)；
图4为利用场效应管的开关特性调制的脉冲电压的波形
图5为基于本发明的微波功率放大器芯片脉冲测试系统的结构框图
图6为实际测试中使用本发明的软件控制流程图
图7为使用脉冲测试系统对待测件测试结果的影响
图8为使用不同脉宽的脉冲测试系统对待测件测试结果的影响
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明实质性特点和显著的进步。
本发明设计的脉冲调制和发生装置将结合实例和附图详细说明如下。如图3和5所示，搭建测试平台，1为信号发生器，2为晶体管，3为满足待测件工作点所需要的直流电源。在具体应用中，将直流电源连接到晶体管的漏极22，脉冲信号发生器连接到晶体管的栅极21，待测件连接到晶体管的源极23，在待测件4的连接线路上加载电压电流探测器，施加电源使待测件4工作在指定的直流工作点。
按照图6所示的流程图启动仪器仪表，首先开启信号发生器，设置施加在晶体管栅极上的脉冲波形及其参数；然后设置施加晶体管漏极上的直流电压的参数；最后在控制界面上设定本次测试的测试参数。脉宽，占空比的选定是指脉冲发生器即信号发生器产生的脉冲的宽度和占空比的数值。
在图7的实施例中，使用直流脉冲电压作为偏置，脉宽为10μs，占空比为1％，脉冲重复周期1ms；可以清楚的看到，在脉冲偏置下的功率放大器的输出功率比连续波下增加了1.5-2dBm左右。这证明了本发明的意义所在。
在图8的实施例中，选用的脉宽分别为3μs，占空比为0.3％∶10μs，占空比为1％∶100us，占空比为10％可以清楚的看到，当占空比降到1％以后，沟道温度已经不再是影响FET的射频特性的主要因素，输出功率已经和脉宽没有太大的直接联系了。这说明在实际的特定应用中，没有太多的必要去追求更高的脉冲频率和更小的脉宽。这证明了本发明的适用范围足够测试所需要。

Claims (7)

1.一种用于微波功率放大器芯片在片测试的方法，其特征在于用晶体管的开关特性，加载大电流的直流电平来调制脉冲信号发生器的发出的脉冲信号使之达到功率放大器的直流工作要求；脉冲信号发生器发出的脉冲信号作为晶体管的栅极控制信号，控制沟道开启和关闭的速度，以调制最后得到的大电流脉冲信号的占空比和频率。
2.按照权利1要求的微波功率放大器芯片在片测试的方法，其特征在于使用脉冲的直流电压作为待测件的直流偏置。
3.按照权利要求2所述的微波功率放大器芯片在片测试的方法，其特征在于所述的直流偏置的脉宽为1-10μs，脉冲重复周期为1ms。
4.按照权利1要求的微波功率放大器芯片在片测试的方法，其特征在于所述的脉冲调制产生的方法是采用大电流直流电压源发出的直流电压连接在晶体管的漏极；当沟道开启时，信号通过源级加载在待测件的两端作为直流偏置，从而使待测件达到工作点。
5.按照权利要求1所述的微波功率放大器芯片在片测试的方法，其特征在于占空比≤1％，输出功率与脉宽无直接关联。
6.按权利要求1-5中任一项所述的用于微波功率放大器芯片在片测试的系统，其特征在于所述的测试系统由操作控制和硬件两部分构成；硬件包括大电流脉冲的实现和加载在芯片上；脉冲信号发生器连接到晶体管的栅极，作为晶体管的栅极控制信号，直流偏置发出大电流，将直流电压连接在晶体管的漏极，通过源极将脉冲信号加载在待测件的两端；电流探测计和电压探测计与待测芯片相连接对芯片的直流工作点进行实时监控；功率计对芯片的工作状态作检测。
7.按权利要求6所述的用于微波功率放大器芯片在片测试的系统使用方法，其特征在于在控制程序初始中，先设置信号发生器的发生波形，在本装置中，选择脉冲波形，在控制界面里设置其脉冲波形参数；其后再配置直流偏置电压的输出及其参数；在偏置条件建立之后，用配置频谱仪及示波器作监控。
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