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選擇儀器和恰當(dāng)設(shè)置加速RF器件測(cè)試方法

   2008年03月24日 11:57  
   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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō),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)試儀并通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)定,能夠極大地加速這些測(cè)試過(guò)程。 

儀器選擇 

  盡管可以采用各種數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)、電壓源和電流源來(lái)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。zui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(wèn)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(jiǎn)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(kāi)銷 

  隨著儀器和計(jì)算機(jī)間的高速通訊成為可能,通過(guò)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(kāi)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(lái)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)具圖1:二極管測(cè)試時(shí)的測(cè)量設(shè)備設(shè)置。 

  這個(gè)問(wèn)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(sourcememorylist)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(wú)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(guò)/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(jiǎn)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(lái)產(chǎn)生*結(jié)果。然而,給測(cè)試電路附加額外的部件,例如長(zhǎng)電纜、開(kāi)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(zhǎng)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*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(guò)內(nèi)部編程來(lái)消除大多數(shù)的GPIB通訊來(lái)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(guò)在二極管上通過(guò)規(guī)定電流,然后在其兩端測(cè)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(cè)量二極管兩端的電壓來(lái)測(cè)量。讀出的電壓與特定的zui低極限相比較以決定測(cè)試通過(guò)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(guò)施加一個(gè)特定的反向電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流來(lái)得到的。編寫(xiě)程序來(lái)在源/存儲(chǔ)器儀器的存儲(chǔ)器位置(memorylocation)中設(shè)置二極管的測(cè)試,然后通過(guò)IEEE總線傳來(lái)的一個(gè)觸發(fā)開(kāi)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(wú)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,*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,*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*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(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。 

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(kāi)始,這并不成為問(wèn)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(lái)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(lái)自同樣廠家但觸發(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(kāi)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(kāi)始下一測(cè)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(cè)試 

  HBT通常有兩個(gè)重要的擊穿電壓需要測(cè)量:*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(cè),圖3a顯示基極開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。zui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(kāi)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)zui重要的漏電流,它是器件關(guān)斷時(shí)基極的漏電流。

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