如何測(cè)量RF功率放大器和手機(jī)的直流偏置電流

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

但目前趨勢(shì)卻是沿著相反的方向：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(shù)據(jù)的多模能力，這些功能都增加了電池消耗，縮短了運(yùn)行時(shí)間。為滿(mǎn)足市場(chǎng)要求，移動(dòng)電話(huà)設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)了支持眾多能力和多標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)，包括在一臺(tái)手機(jī)上支持GSM、CDΜA、Wi-Fi、HSDPA、WCDΜA等。功能不過(guò)增加使所需的驅(qū)動(dòng)功率也越大，即使一些功能不運(yùn)行也需要消耗功率。

在較早的移動(dòng)電話(huà)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師為降低功耗在這些子系統(tǒng)上作了許多努力，使其運(yùn)行時(shí)的絕對(duì)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(jī)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(zhǎng)電池壽命的要求。

為達(dá)到這些要求，除了在傳統(tǒng)領(lǐng)域盡可能挖掘潛力外，移動(dòng)電話(huà)設(shè)計(jì)師還必須盡可能地降低功耗。今天，移動(dòng)電話(huà)設(shè)計(jì)師已轉(zhuǎn)向可顯著降低功耗的動(dòng)態(tài)功耗使用方法。采用這項(xiàng)節(jié)省功率的新技術(shù)，手機(jī)中的子系統(tǒng)將按照需要開(kāi)啟或關(guān)閉。

但這些子系統(tǒng)始終都與手機(jī)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)和用戶(hù)需要的功能，這些子系統(tǒng)數(shù)量還在不斷上升。雖然每個(gè)子系統(tǒng)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(dāng)大的功率?，F(xiàn)代手機(jī)為優(yōu)化每一子系統(tǒng)的性能和功耗，使用了20種不同電平的電壓調(diào)整器。而眾多的電平使問(wèn)題變得更為嚴(yán)重。

在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中，工程師需要通過(guò)大量艱苦的工作對(duì)手機(jī)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(yàn)室中精確評(píng)估電話(huà)的總消耗電流，通過(guò)獨(dú)立測(cè)量每一子系統(tǒng)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)的電流，了解其對(duì)設(shè)計(jì)總體方案的影響。

當(dāng)前流行的解決方案

雖然在測(cè)試中用來(lái)給手機(jī)上電的大多數(shù)電源都有內(nèi)置的電流測(cè)量能力，但這些測(cè)量結(jié)果也許不夠精確。如果電源不能進(jìn)行μA?級(jí)的電流測(cè)量，ATE系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就會(huì)轉(zhuǎn)而選擇數(shù)字萬(wàn)用表。但當(dāng)利用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量μA?級(jí)電流時(shí)，電源通路就從電源經(jīng)過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表到達(dá)DUT。這會(huì)增加布線(xiàn)的復(fù)雜程度和噪聲。在需要并行測(cè)試多臺(tái)DUT時(shí)，使用數(shù)字萬(wàn)用表意味著要增加多路開(kāi)關(guān)，以及為等待開(kāi)關(guān)穩(wěn)定和依次測(cè)量多臺(tái)DUT而增加測(cè)試時(shí)間。要提高系統(tǒng)吞吐率，可為每一臺(tái)DUT專(zhuān)配一臺(tái)數(shù)字萬(wàn)用表，這自然也加大了成本和增加了復(fù)雜性。

測(cè)量這些動(dòng)態(tài)電流的另一種方法是采用只能由少數(shù)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(diào)整器，以及能夠測(cè)量很寬范圍電流的集成化數(shù)字電流測(cè)量系統(tǒng)。在測(cè)試時(shí)用該專(zhuān)用電源代替手機(jī)電池，電源就能測(cè)量在測(cè)試期間流入手機(jī)的電流，直接給出手機(jī)功耗和泄露的電流。移動(dòng)電話(huà)制造商在生產(chǎn)測(cè)試中用這類(lèi)專(zhuān)用電源驗(yàn)證移動(dòng)電話(huà)是否能夠達(dá)到功率要求。這類(lèi)專(zhuān)用電源也可在實(shí)驗(yàn)室中用來(lái)表征手機(jī)及其關(guān)鍵部件。

在移動(dòng)電話(huà)生產(chǎn)中，大多數(shù)制造商都會(huì)測(cè)量手機(jī)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(jī)或待機(jī)時(shí)的小電流。大電流測(cè)量能夠保持ATE系統(tǒng)的快吞吐率，但測(cè)量小電流一般較慢，因?yàn)榇龣C(jī)模式、睡眠模式和泄漏電流測(cè)量需要為消除噪聲而采用長(zhǎng)的積分周期。

應(yīng)注意手機(jī)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(jī)的電池一樣，電源必須有很快的瞬態(tài)響應(yīng)能力以確保電壓穩(wěn)定。如果電源在瞬態(tài)變化時(shí)對(duì)手機(jī)供電電壓造成波動(dòng)，手機(jī)的低電池電壓探測(cè)電路就可能關(guān)斷手機(jī)。

為精確測(cè)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(fù)載造成的不穩(wěn)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(yīng)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(hù)。

當(dāng)前解決方案的不足之處

在這類(lèi)技術(shù)中，為解決穩(wěn)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(wěn)定性問(wèn)題，但卻會(huì)浪費(fèi)大量的測(cè)量時(shí)間。因?yàn)樵谛‰娏髁鬟^(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(shù)和更長(zhǎng)的穩(wěn)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(qū)動(dòng)時(shí)短路電阻器和電容器。激勵(lì)這些FET會(huì)產(chǎn)生輸出電壓的不連續(xù)，這是難以克服的挑戰(zhàn)，并非所有廠(chǎng)家的產(chǎn)品都會(huì)取得成功。

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

低電流測(cè)量的專(zhuān)利技術(shù)

為更快和更精確地測(cè)量這些低電平電流，Agilent設(shè)計(jì)師清楚地認(rèn)識(shí)到僅靠發(fā)展上述技術(shù)是不可能達(dá)到最終用戶(hù)要求的?，F(xiàn)在有了基于Agilent專(zhuān)利技術(shù)的新的精確測(cè)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(yīng)，并能進(jìn)行快速和精確的低電平電流測(cè)量。這種電源能進(jìn)行更快的小電流測(cè)量，因?yàn)樗恍枰却齼?nèi)部大電容器充電和信號(hào)穩(wěn)定。能在幾毫秒內(nèi)完成μA?級(jí)電流測(cè)量，并且只有不到100nA的誤差。對(duì)大于2A的電流，瞬態(tài)響應(yīng)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(wěn)定性問(wèn)題。沒(méi)有了電容器，也就實(shí)現(xiàn)了更快的響應(yīng)時(shí)間。專(zhuān)利電路用一個(gè)運(yùn)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(shù)mΩ。如果流過(guò)運(yùn)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(xù)。這項(xiàng)技術(shù)允許更快的低電平電流測(cè)量，并同時(shí)為今天的動(dòng)態(tài)負(fù)載保留了優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

專(zhuān)利方案的應(yīng)用領(lǐng)域

手機(jī)制造商可在生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)中使用這項(xiàng)解決方案，以精確測(cè)量待機(jī)模式下的整機(jī)功耗。而手機(jī)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(cè)試系統(tǒng)中使用這項(xiàng)解決方案。通過(guò)用電源快速測(cè)量低電流，制造測(cè)試系統(tǒng)就不需要等待電流測(cè)量結(jié)果，從而提高測(cè)試系統(tǒng)的吞吐率。在表征手機(jī)的功率放大器發(fā)送特性時(shí)，吞吐率對(duì)于最充分利用昂貴的RF測(cè)試資源是至為關(guān)鍵的。無(wú)論是對(duì)于機(jī)手還是元器件生產(chǎn)線(xiàn)，設(shè)備占用面積也是重要因素，高吞吐率和較小的設(shè)備尺寸都有利于高效使用現(xiàn)有廠(chǎng)房空間、傳送帶和 RF測(cè)試設(shè)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(cè)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(jí)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(tǒng)。

圖1：IU高度的Agilent N6700模塊化電源是用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的理想設(shè)備。

Agilent為研發(fā)應(yīng)用提供N6705A直流源分析儀(圖2)，這是一種全新的測(cè)試儀器，它把4臺(tái)電源、數(shù)字萬(wàn)用表、大功率任意波形發(fā)生器、示波器和數(shù)據(jù)記錄器集成在一臺(tái)儀器中，其體積也適合在工作臺(tái)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(shè)置測(cè)試，并且無(wú)需編程。對(duì)于生產(chǎn)制造，Agilent N6700 1U高度的模塊化電源系統(tǒng)為ATE系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供優(yōu)化性能、功率和價(jià)格，以滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)測(cè)試需要的靈活性。N6700模塊化電源系統(tǒng)有400W-1200W三種主機(jī)，在1U高度機(jī)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(dāng)在N6700 模塊化電源系統(tǒng)主機(jī)中使用配備選件1UA μA?級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)的模塊時(shí)，測(cè)量特性就包括通過(guò)它的內(nèi)置電流表進(jìn)行積分式μA?級(jí)電流測(cè)量，并使用50kHz數(shù)化儀把數(shù)據(jù)捕獲至 4096點(diǎn)的緩存器。

當(dāng) N6705A 直流源分析儀裝入帶有選件1UA的電源模塊時(shí)，該μA?級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)就能用直流源分析儀的內(nèi)置電流表、示波器和數(shù)據(jù)記錄器功能捕獲電流。

除了測(cè)量低電流外，選件 1UA 還增加了用來(lái)斷開(kāi)電源正邊和負(fù)邊，包括遠(yuǎn)端感應(yīng)線(xiàn)的機(jī)械繼電器，從而實(shí)現(xiàn)電源和被測(cè)件之間完全的電氣隔離。