RF功率放大器和手機的直流偏置電流測試方法

在移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)上，手機電池壽命是一項任何客戶(hù)都容易評估的技術(shù)指標。不足的電池壽命會(huì )招致用戶(hù)的不滿(mǎn)。因此，在設計手機及其關(guān)鍵部件時(shí)，通過(guò)降低功耗來(lái)延長(cháng)電池壽命是重要的設計考慮。

但目前趨勢卻是沿著(zhù)相反的方向：移動(dòng)電話(huà)的功能在不斷增加。目前已包括互聯(lián)網(wǎng)接入，音頻、視頻，以及具有話(huà)音和數據的多模能力，這些功能都增加了電池消耗，縮短了運行時(shí)間。為滿(mǎn)足市場(chǎng)要求，移動(dòng)電話(huà)設計師開(kāi)發(fā)了支持眾多能力和多標準的手機，包括在一臺手機上支持GSM、CDΜA、Wi-Fi、 HSDPA、WCDΜA等。功能不過(guò)增加使所需的驅動(dòng)功率也越大，即使一些功能不運行也需要消耗功率。

在較早的移動(dòng)電話(huà)設計中，功耗主要決定于RF功率放大器、微處理器、背光和顯示器。設計師為降低功耗在這些子系統上作了許多努力，使其運行時(shí)的絕對功耗減到盡可能小的程度。雖然電池也在不斷改進(jìn)，但其卻跟不上發(fā)展要求。為使手機更小、更薄和更輕，需要尺寸和重量更小的電池組，并且要滿(mǎn)足更大顯示屏、更多功能和更長(cháng)電池壽命的要求。

為達到這些要求，除了在傳統領(lǐng)域盡可能挖掘潛力外，移動(dòng)電話(huà)設計師還必須盡可能地降低功耗。今天，移動(dòng)電話(huà)設計師已轉向可顯著(zhù)降低功耗的動(dòng)態(tài)功耗使用方法。采用這項節省功率的新技術(shù)，手機中的子系統將按照需要開(kāi)啟或關(guān)閉。

但這些子系統始終都與手機內部電源線(xiàn)相連，即使在禁用時(shí)，也會(huì )泄漏功耗。為了支持眾多RF標準和用戶(hù)需要的功能，這些子系統數量還在不斷上升。雖然每個(gè)子系統在禁用時(shí)泄漏的功耗很小，但加在一起卻會(huì )從消耗電池相當大的功率?，F代手機為優(yōu)化每一子系統的性能和功耗，使用了20種不同電平的電壓調整器。而眾多的電平使問(wèn)題變得更為嚴重。

在研發(fā)實(shí)驗室中，工程師需要通過(guò)大量艱苦的工作對手機軟硬件作出改動(dòng)，以最小化電流泄露和優(yōu)化電池壽命，即使這種改動(dòng)通常都非常小。他們必須在實(shí)驗室中精確評估電話(huà)的總消耗電流，通過(guò)獨立測量每一子系統開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)的電流，了解其對設計總體方案的影響。

當前流行的解決方案

雖然在測試中用來(lái)給手機上電的大多數電源都有內置的電流測量能力，但這些測量結果也許不夠精確。如果電源不能進(jìn)行μA?級的電流測量，ATE系統設計師就會(huì )轉而選擇數字萬(wàn)用表。但當利用數字萬(wàn)用表測量μA?級電流時(shí)，電源通路就從電源經(jīng)過(guò)數字萬(wàn)用表到達DUT。這會(huì )增加布線(xiàn)的復雜程度和噪聲。在需要并行測試多臺DUT時(shí)，使用數字萬(wàn)用表意味著(zhù)要增加多路開(kāi)關(guān)，以及為等待開(kāi)關(guān)穩定和依次測量多臺DUT而增加測試時(shí)間。要提高系統吞吐率，可為每一臺 DUT專(zhuān)配一臺數字萬(wàn)用表，這自然也加大了成本和增加了復雜性。

測量這些動(dòng)態(tài)電流的另一種方法是采用只能由少數幾家ATE廠(chǎng)商提供的專(zhuān)用電源，這類(lèi)電源采用高帶寬的電壓調整器，以及能夠測量很寬范圍電流的集成化數字電流測量系統。在測試時(shí)用該專(zhuān)用電源代替手機電池，電源就能測量在測試期間流入手機的電流，直接給出手機功耗和泄露的電流。移動(dòng)電話(huà)制造商在生產(chǎn)測試中用這類(lèi)專(zhuān)用電源驗證移動(dòng)電話(huà)是否能夠達到功率要求。這類(lèi)專(zhuān)用電源也可在實(shí)驗室中用來(lái)表征手機及其關(guān)鍵部件。

在移動(dòng)電話(huà)生產(chǎn)中，大多數制造商都會(huì )測量手機各種工作狀態(tài)，諸如發(fā)送、接收、播放和接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)的較大電流以及關(guān)機或待機時(shí)的小電流。大電流測量能夠保持ATE系統的快吞吐率，但測量小電流一般較慢，因為待機模式、睡眠模式和泄漏電流測量需要為消除噪聲而采用長(cháng)的積分周期。

應注意手機是在高電流泄露(如發(fā)送脈沖期間)和低電流泄露(如待命時(shí))間切換。這就要求電源能如同手機的電池一樣，電源必須有很快的瞬態(tài)響應能力以確保電壓穩定。如果電源在瞬態(tài)變化時(shí)對手機供電電壓造成波動(dòng)，手機的低電池電壓探測電路就可能關(guān)斷手機。

為精確測量從電池流出的極低電流，這些電源有高阻值的電流分流器(100Ω至10kΩ)。未經(jīng)校正的大分流電阻將會(huì )造成輸出電壓產(chǎn)生非常大的跌落，以及DUT旁路網(wǎng)絡(luò )中常見(jiàn)容性負載造成的不穩定性。為此，這些電源必須用專(zhuān)用電路動(dòng)態(tài)來(lái)短路這些高阻值分流器，從而把電源的瞬態(tài)響應改進(jìn)到可接受的程度。眾多的專(zhuān)用電源制造商都有各自的技術(shù)，其中許多技術(shù)受專(zhuān)利保護。

當前解決方案的不足之處

在這類(lèi)技術(shù)中，為解決穩定性問(wèn)題，往往會(huì )把一個(gè)大電容器接到高阻值的分流器上。這樣做雖然解決了電壓穩定性問(wèn)題，但卻會(huì )浪費大量的測量時(shí)間。因為在小電流流過(guò)這些大阻值分流器時(shí)，大電阻器和大電容器的組合形成了高時(shí)間常數和更長(cháng)的穩定時(shí)間。

此外，這些技術(shù)還用MOSFET連接大電阻器，以在大電流驅動(dòng)時(shí)短路電阻器和電容器。激勵這些FET會(huì )產(chǎn)生輸出電壓的不連續，這是難以克服的挑戰，并非所有廠(chǎng)家的產(chǎn)品都會(huì )取得成功。

多數的解決方案用這些技術(shù)為手機的最終測試提供足夠的性能，但無(wú)論是在測量速度，還是在動(dòng)態(tài)測量范圍上，尚不能達到測量手機內各種部件的要求。手機生產(chǎn)測試系統的電流測試，通常需要在100ms內完成對30μA的測量精度。但這對于測試手機中的半導體器件來(lái)說(shuō)則是太慢和太不精確了。半導體器件要求更快地測試，工作電流也小得多。許多器件甚至要求亞μA?級的測量精度和數十毫秒的測量速度。

低電流測量的專(zhuān)利技術(shù)

為更快和更精確地測量這些低電平電流，Agilent設計師清楚地認識到僅靠發(fā)展上述技術(shù)是不可能達到最終用戶(hù)要求的?，F在有了基于Agilent 專(zhuān)利技術(shù)的新的精確測量低電流方法。采用該專(zhuān)利技術(shù)的Agilent電源在高電流時(shí)有快的瞬態(tài)響應，并能進(jìn)行快速和精確的低電平電流測量。這種電源能進(jìn)行更快的小電流測量，因為它不需要等待內部大電容器充電和信號穩定。能在幾毫秒內完成μA?級電流測量，并且只有不到100nA的誤差。對大于2A的電流，瞬態(tài)響應時(shí)間還不到50μs。

Agilent專(zhuān)利解決方案采用有源方法，它去掉了目前解決方案中與在大電流分流器連接的電容器。雖然沒(méi)有電容器，這種有源方法仍解決了大阻值分流器引發(fā)的不穩定性問(wèn)題。沒(méi)有了電容器，也就實(shí)現了更快的響應時(shí)間。專(zhuān)利電路用一個(gè)運算放大器把電源輸出路徑中大阻值分流器的電阻(通常為10kΩ或更高) 降到只有數mΩ。如果流過(guò)運算放大器的電流超過(guò)最大閾值，它就開(kāi)啟一組MOSFET，通過(guò)大阻值分流器而允許更高的電流流過(guò)。這些MOSFET的通斷以無(wú)縫方式完成，而不會(huì )產(chǎn)生任何電壓不連續。這項技術(shù)允許更快的低電平電流測量，并同時(shí)為今天的動(dòng)態(tài)負載保留了優(yōu)異的瞬態(tài)響應性能。

專(zhuān)利方案的應用領(lǐng)域

手機制造商可在生產(chǎn)測試系統中使用這項解決方案，以精確測量待機模式下的整機功耗。而手機元器件制造商，如微處理器、RF功率放大器和其它相關(guān)的電路制造商也可在它們的生產(chǎn)測試系統中使用這項解決方案。通過(guò)用電源快速測量低電流，制造測試系統就不需要等待電流測量結果，從而提高測試系統的吞吐率。在表征手機的功率放大器發(fā)送特性時(shí)，吞吐率對于最充分利用昂貴的RF測試資源是至為關(guān)鍵的。無(wú)論是對于機手還是元器件生產(chǎn)線(xiàn)，設備占用面積也是重要因素，高吞吐率和較小的設備尺寸都有利于高效使用現有廠(chǎng)房空間、傳送帶和 RF測試設備。

Agilent N6700模塊化電源的直流輸出模塊(圖1)已采用這些新的測量技術(shù)。研發(fā)和生產(chǎn)線(xiàn)工程師能通過(guò)選擇具有不同功率、電壓和性能等級的22種直流輸出模塊，配置一套1-4路輸出的直流電源系統。

圖1：IU高度的Agilent N6700模塊化電源是用于自動(dòng)測試系統的理想設備

Agilent為研發(fā)應用提供N6705A直流源分析儀(圖2)，這是一種全新的測試儀器，它把4臺電源、數字萬(wàn)用表、大功率任意波形發(fā)生器、示波器和數據記錄器集成在一臺儀器中，其體積也適合在工作臺上使用。該直流源分析儀有全功能和友好的用戶(hù)界面，能快速設置測試，并且無(wú)需編程。對于生產(chǎn)制造，Agilent N6700 1U高度的模塊化電源系統為ATE系統設計師提供優(yōu)化性能、功率和價(jià)格，以滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)測試需要的靈活性。N6700模塊化電源系統有400W-1200W 三種主機，在1U高度機箱中可裝入4塊模塊，從而把直流電源的密度增至最大。

圖2：為研發(fā)工程師量身打造的Agilent N6705A直流源分析儀

當在N6700 模塊化電源系統主機中使用配備選件1UA μA級電流測量系統的模塊時(shí)，測量特性就包括通過(guò)它的內置電流表進(jìn)行積分式μA?級電流測量，并使用50kHz數化儀把數據捕獲至 4096點(diǎn)的緩存器。

當 N6705A 直流源分析儀裝入帶有選件1UA的電源模塊時(shí)，該μA?級電流測量系統就能用直流源分析儀的內置電流表、示波器和數據記錄器功能捕獲電流。

除了測量低電流外，選件 1UA 還增加了用來(lái)斷開(kāi)電源正邊和負邊，包括遠端感應線(xiàn)的機械繼電器，從而實(shí)現電源和被測件之間完全的電氣隔離。