- 探討正確操作加速RF器件測試的方法
- 學習二極管、RF功率三極管測試方法
- 采用各種數字萬用表、電壓源和電流源來實現測試
- 利用RF功率三極管測試
對所有的電子元件的制造商而言，測試速度都是很重要的，而對于低價格的二、三引腳元件如二、三極管來說卻更是至關重要。在RF測試能夠進行之前，必須測試這些器件的直流工作狀態。對于二極管來說，包括正向壓降、反響擊穿電壓和結漏電流。對于三極管，這包括不同的結擊穿電壓、結漏電流、集電極或漏極特性等。選擇正確的測試儀器并通過適當的設定，能夠極大地加速這些測試過程。
儀器選擇
盡管可以采用各種數字萬用表(DMM)、電壓源和電流源來實現測試，但是與將所有這些功能包含在一個單元內的測試系統相比，將占用更多的機架空間、需要學習多種命令集，系統編程和維護也更復雜。最重要的是，觸發時間變復雜了，且觸發的不確定性增加了，而協調分立儀器的操作增加了總線的通訊流量，降低了測試效率。
要解決這些問題，首先是將幾個功能整合到一個儀器中。源-測量單元(SMU)將精密電壓源、精密電流源、電壓表、電流表整合到一個儀器中，節約了空間并簡化了設備間的操作。其次是消除儀器和控制計算機之間的通訊延時。
降低通訊開銷
隨著儀器和計算機間的高速通訊成為可能，通過GPIB(IEEE-488總線)鏈接為測試的每個步驟提供命令和控制，使得測試系統自動化更為廣泛。盡管這與以前相比有很大的進步，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用作實時測試的另外一個缺點是控制通常來自總線的另外一端-運行Windows操作系統的PC，Windows在通訊響應時具有顯著的延時，并且不可預測，這使得在測試環境中使用PC作為唯一的控制器時，多個儀器的同步幾乎是不可能的。
圖1：二極管測試時的測量設備設置。
這個問題的解決辦法是使用GPIB對儀器進行預配置，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個完整的測試序列而無須PC干預。每個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、數學功能和通過/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，或加速其它測試以優化整個測試時間進程。
當儀器基本上自主運行時，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，兩者都不干涉實際測試。
儀器觸發
為實現簡單的電流-電壓掃描(I-V)，SMU輸出一系列電壓同時測量對應的電流。在每個電壓級，SMU首先提供一個電壓。電路中的電壓變化將引起一個瞬態電流，因此對測試完整性而言在激勵和測量之間設定一個合適的延時很關鍵。在不同的范圍內儀器將自動調節延時來產生最佳結果。然而，給測試電路附加額外的部件，例如長電纜、開關矩陣等，這將改變電路的瞬態特性。對于高阻器件，較長的測試時間通常是必要的。在這些情況下，用戶需要定義額外的延時以維持測量的完整性。
二極管的測試
我們的第一個例子包括測試儀器、器件傳遞裝置(handler)和PC(圖1)，這里需要注意如何通過內部編程來消除大多數的GPIB通訊來加速測試。
二極管的生產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二極管兩端的電壓，通過在二極管上通過規定電流，然后在其兩端測量電壓來得到。反向擊穿電壓(VRM或VBR)是電流突然無限增加時的反向電壓，這通過施加反向電流并測量二極管兩端的電壓來測量。讀出的電壓與特定的最低極限相比較以決定測試通過或失敗。漏電流IR有時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電壓時的電流，它是通過施加一個特定的反向電壓并測量產生的電流來得到的。編寫程序來在源/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IEEE總線傳來的一個觸發開始執行，儀器按照存儲器中的設定編程位置執行操作，無須計算機的干預。
圖2：在三極管測試中一般使用兩臺SMU，第一臺在HBT基極和發射極之間，第二臺在發射極和集電極之間。
RF功率三極管測試
盡管有許多類型的RF三極管存在，但我們以異質結雙極性三極管(HBT)為例，類似的測試可用于其它器件。由于三極管是個三端器件，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基極和發射極之間，第二臺在發射極和集電極之間。為了獲取HBT的集電極曲線，基極SMU設置成輸出電流并測量電壓。設好第一個基極電流后，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測量集電極電流。重復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。開始，這并不成為問題。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，每一步的執行時間將相同。而困難來自存儲器位置調用和自動距離修正(auto-ranging)步驟，這些步驟花費的時間不確定。
在類似這種情況下需要使用一個外部的、專門的觸發控制器，以保證多個儀器的測量同時發生。在測試系統采用了不同廠家的設備，或者即使來自同樣廠家但觸發方法不同時，這特別有用。
過程如下所述(采用的實例參照了Keithley儀器，但類似的辦法可用于其它廠家的儀器)：
1．觸發控制器輸出一個觸發信號到每臺儀器。
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．每臺儀器按照用戶定義的延時執行。
5．一旦完成延時操作每臺儀器給控制器輸出一個觸發信號。
6。觸發控制器等待每臺儀器輸出的觸發信號(延時輸出)。
7．觸發控制器給每臺儀器發送一個觸發信號(測量輸入)。
8．每臺儀器開始測量操作。
9．完成測量后，每臺儀器給控制器發出一個觸發信號。
10．觸發控制器等待每臺儀器輸出的觸發信號(測量輸出)。
11．回到步驟1開始下一測試。
特定的三極管測試
HBT通常有兩個重要的擊穿電壓需要測量：第一個是集電極-發射極擊穿電壓，可在基極開路或短路時測，圖3a顯示基極開路(BVCEO或V (BR)CEO)下測量集電極-發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-發射極擊穿電壓的設置。另一個擊穿電壓是集電極-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。
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圖3：a：集電極-發射極擊穿電壓，基極開路；
b：集電極-發射極擊穿電壓，基極短路；
c：集電極關斷電流，ICBO，及集電極-基極擊穿電壓，發射極開路。
通常RF功率三極管要測的其他參數有集電極-發射極持續電壓，BVCEO(sus)或VCE(sus)，在基極-發射極之間的結上采用反向偏置時集電極-發射極的擊穿電壓(BVCEV或BVCEX),以及集電極開路時的發射極-基極擊穿電壓(BVEBO)。
結漏電流
描述器件關斷時的漏電流也非常重要，因為在器件不工作時，漏電流將浪費功率，會縮短電池供電設備的工作時間。最常測量的漏電流參數是集電極關斷電流(ICBO)，在集電極和基極之間測量，發射極開路(圖3c)。基極反向偏置漏電流，也稱為發射極關斷電流或發射極-基極關斷電流(IEBO)，是另一個最重要的漏電流，它是器件關斷時基極的漏電流。
