加速RF器件測(cè)試正確操作

對(duì)所有的電子元件的制造商而言，測(cè)試速度都是很重要的，而對(duì)于低價(jià)格的二、三引腳元件如二、三極管來說卻更是至關(guān)重要。在RF測(cè)試能夠進(jìn)行之前，必須測(cè)試這些器件的直流工作狀態(tài)。對(duì)于二極管來說，包括正向壓降、反響擊穿電壓和結(jié)漏電流。對(duì)于三極管，這包括不同的結(jié)擊穿電壓、結(jié)漏電流、集電極或漏極特性等。選擇正確的測(cè)試儀器并通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)定，能夠極大地加速這些測(cè)試過程。

儀器選擇

盡管可以采用各種數(shù)字萬用表(DMM)、電壓源和電流源來實(shí)現(xiàn)測(cè)試，但是與將所有這些功能包含在一個(gè)單元內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)相比，將占用更多的機(jī)架空間、需要學(xué)習(xí)多種命令集，系統(tǒng)編程和維護(hù)也更復(fù)雜。最重要的是，觸發(fā)時(shí)間變復(fù)雜了，且觸發(fā)的不確定性增加了，而協(xié)調(diào)分立儀器的操作增加了總線的通訊流量，降低了測(cè)試效率。

要解決這些問題，首先是將幾個(gè)功能整合到一個(gè)儀器中。源-測(cè)量單元(SMU)將精密電壓源、精密電流源、電壓表、電流表整合到一個(gè)儀器中，節(jié)約了空間并簡化了設(shè)備間的操作。其次是消除儀器和控制計(jì)算機(jī)之間的通訊延時(shí)。

降低通訊開銷

隨著儀器和計(jì)算機(jī)間的高速通訊成為可能，通過GPIB(IEEE-488總線)鏈接為測(cè)試的每個(gè)步驟提供命令和控制，使得測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化更為廣泛。盡管這與以前相比有很大的進(jìn)步，但還是具有明顯的速度限制。首先，GPIB需要可觀的通訊開銷。GPIB用作實(shí)時(shí)測(cè)試的另外一個(gè)缺點(diǎn)是控制通常來自總線的另外一端-運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的PC，Windows在通訊響應(yīng)時(shí)具有顯著的延時(shí)，并且不可預(yù)測(cè)，這使得在測(cè)試環(huán)境中使用PC作為唯一的控制器時(shí)，多個(gè)儀器的同步幾乎是不可能的。

圖1：二極管測(cè)試時(shí)的測(cè)量設(shè)備設(shè)置。

這個(gè)問題的解決辦法是使用GPIB對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)配置，然后讓儀器自己執(zhí)行測(cè)試。許多現(xiàn)代儀器擁有源存儲(chǔ)器列表(source memory list)編程功能，允許設(shè)立和運(yùn)行多達(dá)100個(gè)完整的測(cè)試序列而無須PC干預(yù)。每個(gè)測(cè)試可包含不同的儀器配置和測(cè)試條件，可包括源的配置、測(cè)量、條件跳轉(zhuǎn)、數(shù)學(xué)功能和通過/失敗極限測(cè)試和存儲(chǔ)功能。某些單元可在直流或脈沖模式下，采用不同的參數(shù)和時(shí)間安排運(yùn)行，使得有可能減慢較敏感的測(cè)試，或加速其它測(cè)試以優(yōu)化整個(gè)測(cè)試時(shí)間進(jìn)程。

當(dāng)儀器基本上自主運(yùn)行時(shí)，GPIB的角色就是測(cè)試前下載測(cè)試程序以及測(cè)試后上傳結(jié)果到PC，兩者都不干涉實(shí)際測(cè)試。

儀器觸發(fā)

為實(shí)現(xiàn)簡單的電流-電壓掃描(I-V)，SMU輸出一系列電壓同時(shí)測(cè)量對(duì)應(yīng)的電流。在每個(gè)電壓級(jí)，SMU首先提供一個(gè)電壓。電路中的電壓變化將引起一個(gè)瞬態(tài)電流，因此對(duì)測(cè)試完整性而言在激勵(lì)和測(cè)量之間設(shè)定一個(gè)合適的延時(shí)很關(guān)鍵。在不同的范圍內(nèi)儀器將自動(dòng)調(diào)節(jié)延時(shí)來產(chǎn)生最佳結(jié)果。然而，給測(cè)試電路附加額外的部件，例如長電纜、開關(guān)矩陣等，這將改變電路的瞬態(tài)特性。對(duì)于高阻器件，較長的測(cè)試時(shí)間通常是必要的。在這些情況下，用戶需要定義額外的延時(shí)以維持測(cè)量的完整性。

二極管的測(cè)試

我們的第一個(gè)例子包括測(cè)試儀器、器件傳遞裝置(handler)和PC(圖1)，這里需要注意如何通過內(nèi)部編程來消除大多數(shù)的GPIB通訊來加速測(cè)試。

二極管的生產(chǎn)測(cè)試包括驗(yàn)證步驟確定待測(cè)二極管的極性，然后測(cè)試正向壓降、反向擊穿電壓以及漏電流。

正向壓降是指在某些規(guī)定的正向電流時(shí)二極管兩端的電壓，通過在二極管上通過規(guī)定電流，然后在其兩端測(cè)量電壓來得到。反向擊穿電壓(VRM或VBR)是電流突然無限增加時(shí)的反向電壓，這通過施加反向電流并測(cè)量二極管兩端的電壓來測(cè)量。讀出的電壓與特定的最低極限相比較以決定測(cè)試通過或失敗。漏電流IR有時(shí)也稱為反向飽和電流，IS是給二極管施加小于反向擊穿電壓的一個(gè)電壓時(shí)的電流，它是通過施加一個(gè)特定的反向電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流來得到的。編寫程序來在源/存儲(chǔ)器儀器的存儲(chǔ)器位置(memory location)中設(shè)置二極管的測(cè)試，然后通過IEEE總線傳來的一個(gè)觸發(fā)開始執(zhí)行，儀器按照存儲(chǔ)器中的設(shè)定編程位置執(zhí)行操作，無須計(jì)算機(jī)的干預(yù)。

圖2：在三極管測(cè)試中一般使用兩臺(tái)SMU，第一臺(tái)在HBT基極和發(fā)射極之間，第二臺(tái)在發(fā)射極和集電極之間。

RF功率三極管測(cè)試

盡管有許多類型的RF三極管存在，但我們以異質(zhì)結(jié)雙極性三極管(HBT)為例，類似的測(cè)試可用于其它器件。由于三極管是個(gè)三端器件，通常需要使用兩臺(tái)SMU。圖2顯示兩臺(tái)SMU連接到器件，第一臺(tái)在HBT基極和發(fā)射極之間，第二臺(tái)在發(fā)射極和集電極之間。為了獲取HBT的集電極曲線，基極SMU設(shè)置成輸出電流并測(cè)量電壓。設(shè)好第一個(gè)基極電流后，在掃描集電極電壓的同事測(cè)量集電極電流。然后基極電流增加一級(jí)，再次掃描集電極電壓并同時(shí)測(cè)量集電極電流。重復(fù)該過程直到獲得不同基極電流情況下所有的集電極I-V曲線。

儀器的同步

由于希望兩臺(tái)儀器都被編程(避免GPIB延遲)，我們希望測(cè)試設(shè)置中的所有儀器同步。開始，這并不成為問題。例如，如果幾臺(tái)SMU擁有同樣的固件，且采用相同的測(cè)試參數(shù)對(duì)其編程，每一步的執(zhí)行時(shí)間將相同。而困難來自存儲(chǔ)器位置調(diào)用和自動(dòng)距離修正(auto-ranging)步驟，這些步驟花費(fèi)的時(shí)間不確定。

在類似這種情況下需要使用一個(gè)外部的、專門的觸發(fā)控制器，以保證多個(gè)儀器的測(cè)量同時(shí)發(fā)生。在測(cè)試系統(tǒng)采用了不同廠家的設(shè)備，或者即使來自同樣廠家但觸發(fā)方法不同時(shí)，這特別有用。

過程如下所述(采用的實(shí)例參照了Keithley儀器，但類似的辦法可用于其它廠家的儀器)：

1．觸發(fā)控制器輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)到每臺(tái)儀器。

2．從存儲(chǔ)器調(diào)用源存儲(chǔ)器位置。

3．使能所有儀器的源輸出。

4．每臺(tái)儀器按照用戶定義的延時(shí)執(zhí)行。

5．一旦完成延時(shí)操作每臺(tái)儀器給控制器輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

6。觸發(fā)控制器等待每臺(tái)儀器輸出的觸發(fā)信號(hào)(延時(shí)輸出)。

7．觸發(fā)控制器給每臺(tái)儀器發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)(測(cè)量輸入)。

8．每臺(tái)儀器開始測(cè)量操作。

9．完成測(cè)量后，每臺(tái)儀器給控制器發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

10．觸發(fā)控制器等待每臺(tái)儀器輸出的觸發(fā)信號(hào)(測(cè)量輸出)。

11．回到步驟1開始下一測(cè)試。

圖3：a：集電極-發(fā)射極擊穿電壓，基極開路；b：集電極-發(fā)射極擊穿電壓，基極短路；c：集電極關(guān)斷電流，ICBO，及集電極-基極擊穿電壓，發(fā)射極開路。

特定的三極管測(cè)試

HBT通常有兩個(gè)重要的擊穿電壓需要測(cè)量：第一個(gè)是集電極-發(fā)射極擊穿電壓，可在基極開路或短路時(shí)測(cè)，圖3a顯示基極開路(BVCEO或V (BR)CEO)下測(cè)量集電極-發(fā)射極擊穿電壓的設(shè)置，圖3b顯示基極短路(BVCES或V(BR)CES)情況下測(cè)量集電極-發(fā)射極擊穿電壓的設(shè)置。另一個(gè)擊穿電壓是集電極-基極擊穿電壓(BVCBO或V(BR)CBO)，通常射極開路測(cè)量，圖3c顯示了該測(cè)試設(shè)置。在這些測(cè)量中，源-測(cè)量單元掃描HBT上的電壓同時(shí)測(cè)量電流。在達(dá)到擊穿電壓之前，電流將保持非常恒定，達(dá)到擊穿電壓后，電流將突然增加。

通常RF功率三極管要測(cè)的其他參數(shù)有集電極-發(fā)射極持續(xù)電壓，BVCEO(sus)或VCE(sus)，在基極-發(fā)射極之間的結(jié)上采用反向偏置時(shí)集電極-發(fā)射極的擊穿電壓(BVCEV或BVCEX),以及集電極開路時(shí)的發(fā)射極-基極擊穿電壓(BVEBO)。

結(jié)漏電流

描述器件關(guān)斷時(shí)的漏電流也非常重要，因?yàn)樵谄骷还ぷ鲿r(shí)，漏電流將浪費(fèi)功率，會(huì)縮短電池供電設(shè)備的工作時(shí)間。最常測(cè)量的漏電流參數(shù)是集電極關(guān)斷電流(ICBO)，在集電極和基極之間測(cè)量，發(fā)射極開路(圖3c)?；鶚O反向偏置漏電流，也稱為發(fā)射極關(guān)斷電流或發(fā)射極-基極關(guān)斷電流(IEBO)，是另一個(gè)最重要的漏電流，它是器件關(guān)斷時(shí)基極的漏電流。