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IC测试实例系列技术专题(一):GaN PA功率放大器测试

      随着国内通信技术和电力电子技术的快速发展,化合物半导体受到的关注越来越多。

      化合物半导体主要分为二元化合物砷化镓GaAs、氮化镓GaN、碳化硅SiC、磷化铟InP,以及一些三元化合物GaAsSb、InGaAs等等。


各类化合物都因其各自的禁带宽度、载流子迁移率而展现出不同的物理特性:

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      由于物理特性的差异,各类化合物半导体凭借自身的优势走向了不同的应用领域,互无优劣之分。


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Technology

Future

Mature GaAs

Meets many needs. Cheap. Remains valuable.

GaN

Significant for targeted Broadband power   applications, especially where GaAs has reached limits.

InP HEMT/

mHEMT

Niche player. Ultra-high frequency only.

SiGe HBT

Many applications. Fast & high integration, but   low breakdown and more costly for high mix-low-vol.

InP HBTs

Fast & high breakdown with moderate integration.   Many applications now. Workhorse.


以曙光已现的可见爆量市场5G为例

各种半导体技术都将有一席之地

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      这其中,GaN器件具有宽禁带、热导率高、电子饱和速率高、抗辐照能力强等特点,使得其射频器件广泛应用在基站通信和国防军工应用中。

      根据Yole Development的调研,2017年整个GaN射频器件的市场规模是3.84亿美元。随着5G的应用和部署,GaN射频器件在2019-2020会迎来大规模的增长;预计2017-2023年,GaN射频器件的年复合增长率将达到20%以上。

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下表列举了 GaN 射频器件典型的测试参数

测试要求和Keysight的解决方案

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      GaN器件的射频参数测试包含小信号S参数、大信号输出功率效率、互调(IMD)、噪声系数和杂散等特性的测量。相比较传统的功率放大器,GaN功放的功率高,射频参数测试主要面临的挑战有几个方面:

  • 测试项目繁多,系统校准复杂;

  • GaN功放的大功率脉冲测试;

  • 在片测试的效率和精度。



1

基于PNA-X的完整参数测试


      传统的功率放大器的射频参数测试会采用下图的方案,利用网络仪实现S参数测试,信号源+功率计进行功率特性测试,两台信号源+合路器+频谱仪进行双音测试,噪声头+频谱仪实现噪声系数测试。

      采用上述方案最大的缺陷是精度测试效率

      完成一个GaN功放产品的全参数测试需要几套不同的测试系统,不同的仪表的拆卸组合会导致系统的稳定性和精度难以保证。

      同时,繁杂的数据读取会带来极大的工作量,比如双音信号的测试,有时需要保证功放输入端的信号幅度相同,有时会要求输出的双音幅度相同,扫频的IMD测试数据记录时间可能需要数小时。

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采用PNA-X和校准的附件,利用多个通道可以轻松实现放大器完整参数测试,通过校准保证测量的精度,测试效率极大提升。

下图是采用PNA-X完成的放大器全参数测试的案例,7个通道分别对应放大器的小信号S参数、增益压缩、IMD的扫频测量、IMD的频率间隔扫描、噪声系数、谐波、频谱杂散项目。

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2

GaN功放的大功率脉冲测试


      由于GaN的输出功率高,给仪表带来的挑战是需要推动放大器产生更高的激励功率,功放输出功率大于仪表承受的最大的电平。在高功率场景下,GaN功放往往需要脉冲信号激励以减小器件发热对测量结果的影响。

下图是连续波和100us 脉宽,10%占空比脉冲信号激励下的增益和输出功率测量结果


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      连续波和脉冲激励下的增益分别是 45.68dB 和 46.55dB,输出功率分别是 35.88dBm 和36.64dBm。

      为了完成高功率和脉冲测试,可以将PNA的前面板的跳线打开,通过外置的推动放大器和定向耦合器,将仪表内部的部件旁路;同时利用网络仪内部的脉冲调制模块产生脉冲信号,实现高功率的脉冲测试。

下图是典型的GaN大功率测试平台和校准测量需要的附件:

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序号

名称

型号和要求

1

PNA-X

N524xA,4端口,含有423选件和相应的测试软件

2

驱动放大器

GT-1050B 宽带驱动放大器

3

定向耦合器

Keysight 87301E宽带

定向耦合器

4

功率计和探头

Keysight N1912A功率计和

N1922A功率探头

5

电流探头

Keysight N2779A和

N2783B电流探头

6

直流电源

Keysight E3633A

7

环形器

功率容量和隔离度满足要求

8

衰减器

包含耦合器耦合端和被测件输出端的,功率容量需大于被测件输出功率

9

校准件

85052D


3

在片测试的效率和精度


在片测试的最大挑战有两个方面:

  • 一是如何保证探针端面的S参数、功率校准精度,

  • 二是如何实现尽可能少的压针完成全部参数的测量。

下图是某个芯片1次和4次下针的形貌,可以看出多次下针对PAD的损伤较大,甚至会损坏芯片无法正常工作。因此,必须要在探针端面上实现精确的校准,同时实现单次连接,多次测量,保证在片测试的效率和精度。

      探针台测试的校准通常会在同轴端面和探针端面分别进行S参数的校准,同时在同轴端面进行功率校准,通过两级S参数校准得到的参数对探针端面的功率进行修正确保探针的功率精度。“单次连接,多次测量”可以通过  1——基于PNA-X的完整参数测试  中介绍的基于多个通道的完整参数测试实现。

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      DPD(数字预失真技术)已经成为无线通信中不可或缺的技术,Doherty、包络跟踪等效率增强技术仍然是5G通信的研究热点。应用于移动通信的功放通常需要提供DPD前后的线性指标,但芯片或模块设计厂商通常不具备开发DPD算法的能力。

      采用 Keysight N5182B + N9030B + N7614C Signal Studio 软件可以快速实现PA的削峰(CFR)/数字预失真(DPD)/包络跟踪(ET)的功能测试,测试原理与仪表连接如图。

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      被测的PA为一款GaN功率放大器,测试频率为5800MHz,以LTE FDD 20MHz 的Downlink信号为例,DPD算法为N7614B自带的Volterra级数算法,测试系统实物和使用仪表的主要指标如下:

  矢量信号源:N5182B,160MHz调制带宽

  信号分析仪:N9030A/B,510MHz分析带宽

  直流电源:N6705C

  推动放大器:83017A

  控制软件:N7614C PA Test

640-5.jpeg测试的结果显示了DPD前后功放的AM-AM,AM-PM,ACPR特性的曲线,其中

  • 基于矢量调制信号测得功放的AM-AM和AM-PM曲线;

  • 功放的增益压缩2dB,相位扩张3度左右;无DPD时,ACPR=-36dBc左右;

  • 使用N7614C自带的DPD算法,校正后ACPR=-50dBc,ACPR改善14dBc以上。

640-8.jpeg因此,采用 Keysight N5182B + N9030B + N7614C 的方案,可以基于现有实验室的设备,快速搭建系统级指标验证的测试平台,有效评估功放DPD前后的ACPR、EVM等指标。


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GaN器件的特性受限于材料和器件生长引入的缺陷,核心表现是导通电阻的增大,增加器件在开态下的功率损耗,严重影响器件的功率、效率和可靠性。

GaN的缺陷效应对应的现象电流崩塌、射频散射、栅延迟等现象:

>>>  电流崩塌:直流下,经过高电压冲击后,当源漏电压增大时,器件的输出电流大大减小;射频激励下,GaN器件源漏输出电流幅度与直流特性相比剧烈降低,造成Pout和PAE下降。

>>>  延迟效应:栅极或者漏极电压瞬间变化时,漏极电流响应延迟的现象。

>>>   Kink效应:漏极电压较大时,输出电流突然增大的情况,导致器件的跨导减小,不稳定性加剧。

本节介绍DC下的电流崩塌和栅延迟的测试:


1

栅延迟测试


      采用81160A函数任意波形发生器和示波器完成GaN RF器件的栅延迟测试,81160A产生栅极电压的快速变化,N6705C提供漏极10V的偏置,示波器和电流探头实现漏极电流的捕捉和读取。

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  脉冲发生器 81160A ,脉冲上升沿时间(10%至90%)  1ns,±10V@ 1MOhm负载

➤  示波器 MSOS804A,8GHz 带宽,20GSa/s采样率,10Bit ADC

➤  电流探头 N7026A,150MHz/30A

➤  直流电源 N6705C


由于GaN RF器件是常开型器件,必须要确保栅极加上负电的前提下再加漏极电压,因此典型的时序应该如下图所示。

  • 起始t=0时刻,Vg=-3V,Vd=0V,Id=0A;

  • T=t1时,Vg=-3V,Vd=48V,器件关断,Id=0A;

  • T=t2时,Vg=-1.9V,Vd=48V,器件打开;

  • T=t3后,器件电流达到稳定;

  • T从t2至t3时间,电流并非瞬间达到工作电流,该时间tm即测量的栅延迟时间。

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电流测试采用上升沿触发,打开81160A的输出,同时打开N6705C的输出48V,此时N6705C上的电流为0mA。手动触发81160A,观察示波器上电流的变化,适当调整Scale和Marker,得到的结果如图。

可以看出,Id从10%至90%的电流上升时间约为470us。


2

电流崩塌(动态电阻测试)


GaN器件漏极电压超过一定值时, 随着漏极电压的增加,电流开始下降,不能达到理想的值,这就是GaN器件的电流崩塌效应。

采用Keysight B1505A和相应的测试夹具可以实现GaN器件的电流崩塌效应的测试,通过N1267 Fast Switch Unit实现高压应力施加(HVSMU)和静态电流测试(HCSMU)的快速切换,并完成静态电流的测试。

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采用Sumitomo EGNB010MK GaN HEMT进行电流崩塌的测试,测试的夹具和连接方式如图

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测试结果如图,可以看到施加100V应力后漏极电流明显低于原始的静态电流;对应的动态电阻从3欧提高至5.5欧。


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GaN功率放大器的测试

涵盖了直流、射频和系统级的指标

Keysight 提供了完整的测试方案

致力于解决GaN功放测试中的挑战和难题


将方案总结如下:

测试特性

测试项目

典型测试要求和对仪表的要求

直流特性

栅极开启电压、静态工作点、漏极击穿电压

高电压、低漏电测试;测试速度。

▲ Keysight解决方案:B2902A、B1500/05/06A

射频性能

S参数、输出功率、增益、效率、互调、噪声系数

大功率测试脉冲测试:输入功率可能大于 30dBm,Pulse Width=100 μs, Duty Cycle=10 %;

测试效率:要求单次连接,多次测量。

▲ Keysight解决方案:PNA-X 和相应附件

系统级

指标‍

调制信号下的ACPR和EVM

足够的信号源调制带宽和分析仪表带;

满足要求的DPD算法。

▲ Keysight解决方案:信号源 +信号分析仪+N7614C PA测试软件

GaN

器件

缺陷测试

栅延迟


动态电阻和电流崩塌

栅延迟:测试系统的时序以及栅极电压的上升沿时间;

电流崩塌(动态电阻):高电压应力到高电流模式的切换,及对应时间。

▲ Keysight解决方案:示波器+电流探头;B1505A半导体参数分析仪。


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