CN104849578A - 一种评估lna源端的tvs负载效应特性的测试分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法。具体步骤包括：(1)运用矢量网络分析仪对LNA进行检测，确定LNA的匹配网络类型和参数大小；(2)在矢量网络分析仪的测试源端加上TVS管，测量低噪声放大器工作频段的偏移，确定新的最大增益点；(3)利用新的最大增益点，在史密斯阻抗圆中重新确定源端的等效阻抗，从而估算TVS负载的特性和大小；(4)根据得到的TVS负载的特性和大小，利用谐振消除法和谐振隔离法对TVS进行分离；(5)检验补偿后的LNA的性能和在ESD冲击下的鲁棒性。本发明的分析方法能简易测试和评估运用TVS进行ESD防护中，其负载效应的特性，并在此基础上提供有效的方法解决TVS对LNA的负面影响。

Description

一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法

技术领域

本发明通过对低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)电路的测试分析，提供一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，为工程中解决LNA的静电放电问题提供一种新的思路。属于电磁兼容领域。

背景技术

随着电子产品向高速微型化发展，电力电子器件中存在的静电放电问题已经成为电子设备及系统的严重威胁。电子设备的静电放电抗扰度试验也作为电子设备电磁兼容性测试的一项重要内容被列入国家标准中，GB/T17626.2-2006《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》就是针对静电放电的国家标准。

在射频领域，ESD(Electro-Static Discharge)的泻放问题贯穿着产品设计的始终。在射频应用频率上，ESD保护器件微弱的负载效应会对射频性能有明显的影响。具体表现为输入阻抗的变化。射频工程师在芯片设计时往往会在片内增加独立的ESD保护电路。而与片外端口的联合保护将会对ESD保护的整体性能进行提升。并且在工程上ESD问题的解决中，进行片外端口的防护是必不可少的途径。

静态抑制二极管(TVS)是一种常见的ESD片外保护器件。在ESD电路的设计中和产品ESD问题的解决中扮演重要角色。按照以往工程应用，TVS已成为高速半导体电路广泛采用的技术。如果应用得当，TVS二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定工作电压，但是却远低于破坏阈值电压。是电子设备端口防护方面最佳的选择。LNA通常作为射频接收机的第一级，极易受到ESD电流的破坏。如果用TVS进行端口保护，必须要考虑TVS的负载效应所带来的影响。

发明内容

本发明旨在提供一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，通过本发明的测试和分析方法，可以快速、有效的对LNA源端的TVS对其匹配网络的负载效应进行评估判断，并以此为基础进行阻抗补偿，以消除TVS负载的影响。

本发明采用的技术方案如下：

一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，具体步骤如下：

第一步，运用矢量网络分析仪对低噪声放大器进行检测，确定低噪声放大器的匹配网络类型和参数大小；

第二步，在矢量网络分析仪的测试源端加上TVS管，测量低噪声放大器工作频段的偏移，确定新的最大增益点；

第三步，在步骤一得到的匹配网络类型和大小的基础上，利用新的最大增益点，在史密斯阻抗圆中重新确定源端的等效阻抗，从而估算TVS负载的特性和大小；

第四步，根据得到的TVS负载的特性和大小，利用谐振消除法和谐振隔离法对TVS进行分离；

第五步：检验补偿后的低噪声放大器的性能和在ESD冲击下的鲁棒性。

步骤一中，检测目标是低噪声放大器的双端口网络的正向传输系数和源端的反射系数，在低噪声放大器的工作频点上获得平滑的传输增益和最小的反射；如果已知低噪声放大器的电气参数图，可以直接得知匹配网络的类型和参数；若没有参数大小，可根据低噪声放大器的结构判断其匹配网络类型，再根据已知的工作频段并查阅功放器件手册中的S₁₁参数，推算源端的反射系数幅值和相位大小，在史密斯图中表示出源端等效阻抗，推算匹配网络的参数大小。

步骤四中，利用谐振消除法是通过并联电容或电感与TVS负载组成平行谐振网络。

进一步地，步骤四中，利用谐振隔离法是在TVS负载路径上采用谐振器进行隔离。

随着集成电路的体积越来越小，密度越来越高，芯片面积也越来越宝贵。因此，在ESD事件的处理中，LNA的片外保护设计显得尤为重要。本发明的分析方法能简易测试和评估运用TVS进行ESD防护中，其负载效应的特性，并在此基础上提供有效的方法解决TVS对LNA的负面影响。

附图说明

图1为TVS在LNA中的实验测试示意图，1-电源，2-VNA，3-ESD发生器，4-50Ω同轴电缆，5-高速示波器，6-50ΩSMA接口，7-LNA实验PCB板；

图2为典型的LNA结构与反射系数；

图3为(a)TVS负载的谐振消除法与(b)阻抗隔离法；

图4为LNA实物图；

图5为并联TVS前后的LNA工作特性对比，(a)没有TVS保护的S₂₁，(b)没有TVS保护的S₁₁，(c)加入TVS保护后的S₂₁，(d)加入TVS保护后的S₁₁；

图6为(a)器件手册中sc3356型晶体管的S参数和(b)Smith图中的分布；

图7为Smith圆图的分析；

图8为输入网络的阻抗值参考；

图9为并联TVS后的LNA输入网络导纳值参考；

图10为阻抗谐振消除后LNA增益点的回归，(a)谐振消除后的S₂₁参数，(b)谐振消除后的S₁₁参数；

图11为阻抗隔离后LNA增益点的回归，(a)阻抗隔离后的S₂₁参数，(b)阻抗隔离后的S₁₁参数；

图12为(a)谐振阻抗消除法与(b)阻抗隔离法在ESD冲击下的实验示意图；

图13为(a)阻抗谐振消除法与(b)阻抗隔离法在ESD冲击下的实验结果(10V，50ns/div)。

具体实施方式

本发明利用VNA测试源端加上TVS后LNA工作频段的偏移，确定新的最大增益点。利用新的最大增益点和Smith阻抗圆推算源端等效阻抗，从而估算TVS负载的特性和大小。

对于步骤一：如图1，对矢量网络分析仪(VNA)进行校准。以SMA接口的LNA为例，按图1方法对放大器性能进行测试。LNA可以是独立或非独立模块，不同的接口，根据实际情况选择测量部件。若接口为其他，更换测试线缆。

测量目标是LNA的S₂₁和S₁₁参数。S₂₁反映双端口网络的正向传输系数。S₁₁反映源端的反射系数。在LNA的工作频点会获得上平滑的传输增益和最小的反射。示波器的作用是测试ESD冲击下TVS的泻放能力。

对于步骤二：如果已知LNA的电气参数图，可以直接得知LNA匹配网络的类型和参数。若没有参数大小，可根据LNA结构判断其匹配网络类型(L型，π型等)，再根据已知的工作频段并查阅功放器件的手册进行推算。

LNA的阻抗匹配是指源端向负载传输最大功率，并尽可能获取最小噪声。典型的LNA结构如图2所示。放大器的结构分为输入网络，晶体管或IC，输出网络三部分。Γ是反射系数。其中：

1)Γ_s，Γ_L是源端/负载端的反射系数。

2)Γ_in，Γ_out是晶体管(IC)输入端/输出端的反射系数。

根据传输线理论知识，输入网络的功率增益G_s可表示为：

$G_s=\frac{1-{\left|\mathrm{\Γs}\right|}^2}{{|1-{\mathrm{\Γ}}_s{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{in}}|}^2}---\left(1\right)$

由于功放器件的双端口S参数已知，对于稳定的LNA，有Γ_in＝S₁₁，于是当：

Γ_s＝S₁₁ ^*              (2)

功放器件与输入网络实现共轭匹配，此时功放器件可从源端获取最大增益。

因此在步骤一中所测的最大增益点上，结合手册中功放器件的S参数，可知源端的反射系数幅值和相位大小，在史密斯图中表示出源端等效阻抗，便可推算匹配网络的参数大小。

对于步骤四，根据步骤三测得的新最大增益点，和功放器件手册中的S参数，可在Smith阻抗圆中来重新确定源端的等效阻抗。与步骤二中已知的匹配网络参数进行比较，可估算TVS负载的阻抗大小。

对于第五步，可根据步骤四中TVS负载的阻抗大小来改善阻抗网络。可利用TVS负载作为匹配网络的一部分，也可以按图3所示，利用谐振消除法，并联电容或电感与TVS组成平行谐振网络。或在TVS路径上用谐振器进行隔离。两种谐振回路均满足公式：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(3\right)$

实施例

1.TVS负载大小的预估

以一个工作在470Mhz左右的晶体管低噪声放大器为实施对象，见图4。LNA放大器由偏置网络，输入/输出匹配网络，晶体管功放器件构成。通过对LNA传输系数和反射系数的测量，来检验TVS管额外负载带来的响应。

在源端并联一块TVS管(SMBJ6.8A双向)，图5是经VNA测试得到的S参数对比，可以看到在原频段470MHZ处增益下降，而在770Mhz左右获得最大增益和最小反射系数。可以断定TVS导致该电路阻抗失配。

由2sc3356型晶体管的器件手册可得在各频段的S₁₁参数和和在Smith阻抗圆中的分布，见图6。

图5中，近似得到500Mhz时晶体管的S₁₁＝0.36∠-126°。则在500MHz时，获得最大增益的条件为Γ_s＝S^* ₁₁＝0.36∠126°。在图7的Smith图中，我们找到0.36∠126°的点A,得到归一化的阻抗值

Z_s＝0.5+0.4j         (4)

实际Z_s为：

Z_s＝Z₀(0.5+0.4j)＝25+20j        (5)

该LNA为L型匹配网络，预测的等效电路图和元器件阻抗值大小图8所示。并联电容C1约7.5pf，串联电感L约1nh。C2为隔离电容，容抗可忽略。

下面通过已造成的工作点偏移来推算TVS寄生阻抗的大小。由图6器件手册可知，该晶体管在一个很宽的频段内(I_c＝5mA)，基本保持在0.5左右。故取|S₁₁|＝0.36。770Mhz可取S₁₁＝0.36∠-140°。

在770Mhz，获得最大增益条件为：

Γ_s＝S^* ₁₁＝0.36∠140°         (7)

在图7的Smith图中，找到对应的点B，最终得到：Z_s＝Z₀(0.5+0.3j)＝25+15j

加入TVS后的等效电路图和元器件导纳值大小如图9所示，并联电容C1＝7.5pf，串联电感L＝1nh，C2为隔离电容。

可得：

$\frac{1}{50}+\frac{1}{27}j+\frac{1}{R_{\mathrm{tvs}}+X_{\mathrm{tvs}}j}=\frac{1}{25-70j}=\frac{1}{221}+\frac{1}{78.9}j---\left(8\right)$

计算得：

R_tvs+X_tvsj≈0.96+8j           (9)

R_tvs＜1Ω，故略去。最终得到X_tvs＝8Ω。L_tvs≈2.6nh。

该TVS可以等效为一个2.6nh的电感负载。

2.谐振消除法与阻抗隔离法的应用

由于TVS可等效为一个纯电抗元件。实际上TVS的体电阻一直可以被忽略。可以利用谐振消除法来降低TVS的负载效应。根据公式，利用求得的TVS的负载特性(容性或感性)和LNA的应用频率来选择谐振器。

TVS作为谐振回路的一部分，根据公式(3)，在上述实施例中可求得并联的电容大小需求为40pf。

选用0805封装的陶瓷电容，并联在TVS两端。图10反映了TVS谐振消除后应用频率处最大增益和最小反射的回归。

若在TVS路径上串联谐振回路进行阻抗隔离，根据公式(3)，选用2nh电感和39pf电容。均采用0805封装。

图11反映了LC谐振隔离后在应用频率处最大增益和最小反射的回归。

3.下面测试TVS回路对ESD电流的抑制能力。

如图12所示，以50欧姆电阻为负载进行测试，使用标准的ESD测试环境进行测试。结果如图13所示。可以看到这两种方法对ESD电流同样具有良好的抑制能力。在短暂的过冲之后电压被嵌位在5V上下。

Claims (4)

1.一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，运用矢量网络分析仪对低噪声放大器进行检测，确定低噪声放大器的匹配网络类型和参数大小；

第二步，在矢量网络分析仪的测试源端加上TVS管，测量低噪声放大器工作频段的偏移，确定新的最大增益点；

第三步，在步骤一得到的匹配网络类型和大小的基础上，利用新的最大增益点，在史密斯阻抗圆中重新确定源端的等效阻抗，从而估算TVS负载的特性和大小；

第四步，根据得到的TVS负载的特性和大小，利用谐振消除法和谐振隔离法对TVS进行分离；

第五步：检验补偿后的低噪声放大器的性能和在ESD冲击下的鲁棒性。

2.根据权利要求1所述的一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，其特征在于，步骤一中，检测的目标是低噪声放大器的双端口网络的正向传输系数和源端的反射系数，在低噪声放大器的工作频点上获得平滑的传输增益和最小的反射；如果已知低噪声放大器的电气参数图，可以直接得知匹配网络的类型和参数；若没有参数大小，可根据低噪声放大器的结构判断其匹配网络类型，再根据已知的工作频段并查阅功放器件手册中的S₁₁参数，推算源端的反射系数幅值和相位大小，在史密斯图中表示出源端等效阻抗，推算匹配网络的参数大小。

3.根据权利要求1或2所述的一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，其特征在于，步骤四中，利用谐振消除法是通过并联电容或电感与TVS负载组成平行谐振网络。

4.根据权利要求1或2所述的一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，其特征在于，步骤四中，利用谐振隔离法是在TVS负载路径上采用谐振器进行隔离。