選擇正確的儀器和恰當的設置加速RF器件測試的方法

儀器選擇

盡管可以采用各種數字萬(wàn)用表(DMM)、電壓源和電流源來(lái)實(shí)現測試，但是與將所有這些功能包含在一個(gè)單元內的測試系統相比，將占用更多的機架空間、需要學(xué)習多種命令集，系統編程和維護也更復雜。最重要的是，觸發(fā)時(shí)間變復雜了，且觸發(fā)的不確定性增加了，而協(xié)調分立儀器的操作增加了總線(xiàn)的通訊流量，降低了測試效率。

要解決這些問(wèn)題，首先是將幾個(gè)功能整合到一個(gè)儀器中。源-測量單元(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，節約了空間并簡(jiǎn)化了設備間的操作。其次是消除儀器和控制計算機之間的通訊延時(shí)。

降低通訊開(kāi)銷(xiāo)

隨著(zhù)儀器和計算機間的高速通訊成為可能，通過(guò)GPIB(IEEE-488總線(xiàn))鏈接為測試的每個(gè)步驟提供命令和控制，使得測試系統自動(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(guān)的通訊開(kāi)銷(xiāo)。GPIB用作實(shí)時(shí)測試的另外一個(gè)缺點(diǎn)是控制通常來(lái)自總線(xiàn)的另外一端-運行Windows操作系統的PC，Windows在通訊響應時(shí)具有顯著(zhù)的延時(shí)，并且不可預測，這使得在測試環(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1：二極管測試時(shí)的測量設備設置。

這個(gè)問(wèn)題的解決辦法是使用GPIB對儀器進(jìn)行預配置，然后讓儀器自己執行測試。許多現代儀器擁有源存儲器列表(source memory list)編程功能，允許設立和運行多達100個(gè)完整的測試序列而無(wú)須PC干預。每個(gè)測試可包含不同的儀器配置和測試條件，可包括源的配置、測量、條件跳轉、數學(xué)功能和通過(guò)/失敗極限測試和存儲功能。某些單元可在直流或脈沖模式下，采用不同的參數和時(shí)間安排運行，使得有可能減慢較敏感的測試，或加速其它測試以?xún)?yōu)化整個(gè)測試時(shí)間進(jìn)程。

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

儀器觸發(fā)

為實(shí)現簡(jiǎn)單的電流-電壓掃描(I-V)，SMU輸出一系列電壓同時(shí)測量對應的電流。在每個(gè)電壓級，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，因此對測試完整性而言在激勵和測量之間設定一個(gè)合適的延時(shí)很關(guān)鍵。在不同的范圍內儀器將自動(dòng)調節延時(shí)來(lái)產(chǎn)生最佳結果。然而，給測試電路附加額外的部件，例如長(cháng)電纜、開(kāi)關(guān)矩陣等，這將改變電路的瞬態(tài)特性。對于高阻器件，較長(cháng)的測試時(shí)間通常是必要的。在這些情況下，用戶(hù)需要定義額外的延時(shí)以維持測量的完整性。

二極管的測試

我們的第一個(gè)例子包括測試儀器、器件傳遞裝置(handler)和PC(圖1)，這里需要注意如何通過(guò)內部編程來(lái)消除大多數的GPIB通訊來(lái)加速測試。

二極管的生產(chǎn)測試包括驗證步驟確定待測二極管的極性，然后測試正向壓降、反向擊穿電壓以及漏電流。

正向壓降是指在某些規定的正向電流時(shí)二極管兩端的電壓，通過(guò)在二極管上通過(guò)規定電流，然后在其兩端測量電壓來(lái)得到。反向擊穿電壓(VRM或VBR)是電流突然無(wú)限增加時(shí)的反向電壓，這通過(guò)施加反向電流并測量二極管兩端的電壓來(lái)測量。讀出的電壓與特定的最低極限相比較以決定測試通過(guò)或失敗。漏電流IR有時(shí)也稱(chēng)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(guò)施加一個(gè)特定的反向電壓并測量產(chǎn)生的電流來(lái)得到的。編寫(xiě)程序來(lái)在源/存儲器儀器的存儲器位置(memory location)中設置二極管的測試，然后通過(guò)IEEE總線(xiàn)傳來(lái)的一個(gè)觸發(fā)開(kāi)始執行，儀器按照存儲器中的設定編程位置執行操作，無(wú)須計算機的干預。 

RF功率三極管測試

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

儀器的同步

由于希望兩臺儀器都被編程(避免GPIB延遲)，我們希望測試設置中的所有儀器同步。開(kāi)始，這并不成為問(wèn)題。例如，如果幾臺SMU擁有同樣的固件，且采用相同的測試參數對其編程，每一步的執行時(shí)間將相同。而困難來(lái)自存儲器位置調用和自動(dòng)距離修正(auto-ranging)步驟，這些步驟花費的時(shí)間不確定。

在類(lèi)似這種情況下需要使用一個(gè)外部的、專(zhuān)門(mén)的觸發(fā)控制器，以保證多個(gè)儀器的測量同時(shí)發(fā)生。在測試系統采用了不同廠(chǎng)家的設備，或者即使來(lái)自同樣廠(chǎng)家但觸發(fā)方法不同時(shí)，這特別有用。

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

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

       2．從存儲器調用源存儲器位置。

       3．使能所有儀器的源輸出。

       4．每臺儀器按照用戶(hù)定義的延時(shí)執行。

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

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

       7．觸發(fā)控制器給每臺儀器發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(測量輸入)。

       8．每臺儀器開(kāi)始測量操作。

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

       10．觸發(fā)控制器等待每臺儀器輸出的觸發(fā)信號(測量輸出)。

       11．回到步驟1開(kāi)始下一測試。

                                            
圖3：a：集電極-發(fā)射極擊穿電壓，基極開(kāi)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(kāi)路。
 

特定的三極管測試

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

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

結漏電流