氮化鎵功率放大器生產(chǎn)測試的獨特挑戰(zhàn)

Devin Morris, RoosInstruments

隨著5G的推出，新的無線電網(wǎng)絡基礎設施的一個重要環(huán)節(jié)是gNodeB基站的功率放大器（PA）。PA需要無故障運行，往往是在極端條件下，而且5G標準提出了更寬的帶寬、更高的頻率和更高的效率。因此，與移動設備中的射頻前端相比，PA和組成它們的半導體器件具有更嚴苛的測試要求。

傳統(tǒng)上，LDMOS是基站PA的首選工藝技術；然而，由于LDMOS在頻率超過3GHz時性能會下降，SiC基GaN已成為一種有競爭力的替代方案，為高功率應用提供了明顯的優(yōu)勢：其一是它的帶隙比硅大，帶來了更高的擊穿電壓和更高溫度下的熱穩(wěn)定性；其次，與硅相比，SiC基GaN具有更高的導熱性，這意味著在相同的工作電壓下具有更高的效率，減少了散熱的挑戰(zhàn)。最后，GaN的擊穿場明顯高于Si，在失效前的電壓處理能力是Si的10倍。這使得GaN器件在制造時，盡管功率密度較高，但芯片尺寸卻較小。

這種工藝技術的優(yōu)勢卻為鑒定射頻GaN器件和MMIC的性能和穩(wěn)健性帶來了獨特的測試挑戰(zhàn)。由于GaN在基站PA中是相對較新的技術，生產(chǎn)測試是工藝表征、性能鑒定和可靠性評估的混合。與傳統(tǒng)的LDMOS PA相比，GaN PA所需的更高的性能和獨特的偏壓增加了復雜性。本文討論了測試系統(tǒng)如何解決這種復雜性。

偏壓

與增強型LDMOS相比，GaN HEMT需要測試設備提供正漏極和負柵極偏壓。雖然電壓是傳統(tǒng)的，但為避免損壞被測器件(DUT)或測試設備，電源的空閑狀態(tài)電壓和直流偏壓的順序是非常棘手的。作為耗盡型場效應晶體管，GaN器件在應用漏極電壓之前，需要在柵極有一個負的掐斷電壓以保持晶體管關閉，然后在射頻測試之前將柵極電壓調整到正確的偏置電壓。在測試結束和測試下一個器件之前，必須反向應用這個順序。這就要求測試設備具有專門的排序和空閑狀態(tài)控制，而且設備接口必須提供”故障-保護"，以防止有問題的設備損壞插座或測試設備。

與硅相比，GaN的導通電阻較低，擊穿電壓較高，因此需要進行高電壓和低電流測試。表征擊穿電壓是很常見的，需要大于100V的電壓，同時測量pA到nA范圍內的電流。這種測試要求設備有快速和精確的反應時間，一旦超過擊穿電壓就中止測試，避免永久損壞或退化DUT。

微波測試

測試GaN射頻器件的最大挑戰(zhàn)之一是微波測試在評估性能方面的突出作用和要求。隨著5G標準將頻率推到3GHz以上，對輸出功率、線性度和效率有嚴格的要求。這就要求生產(chǎn)測試環(huán)境要模仿傳統(tǒng)的微波測試臺。集成和模塊化的綜合微波自動測試設備（ATE）解決方案受到青睞，而不是多種專用臺式儀器或定制的負載板解決方案。這種需求導致了ATE架構的發(fā)展，它提供了與臺式儀器相當?shù)男阅?，同時提供可配置的測試資源，可根據(jù)應用定制，并具有靈活性，以滿足不斷變化的性能要求。這種能力可以處理一系列的微波測量任務，只需插入一套設備。

測試生產(chǎn)線中的GaN PA的挑戰(zhàn)是高射頻功率、高頻率和高測量精度的結合。這些因素影響了ATE配置、能力、接口和校準等多個方面。在設備方面，微波源和測量儀器已經(jīng)從設備接口轉移到ATE中的專用微波儀器，結合了頻譜分析儀、功率計和矢量網(wǎng)絡分析儀的功能。這種整合實現(xiàn)了廣泛的頻率覆蓋和測試功能，并具有指定的測量和集成校準。它將儀器的復雜性從設備接口中移除，因此它作為高功率條件下的負載串并為專門測量提供信號，發(fā)揮了更針對特定應用的作用（圖）。

圖?ATE架構，信號源和測量儀器都在系統(tǒng)中，而不是在設備接口。

放大器的測量通常包括增益、增益平坦度、效率、鄰道功率比（ACPR）、線性度（EVM）和其他線性，如P1dB和P3dB。對于5G PA，其性能水平和更高的頻率要求使得校準更重要。雖然儀器和測量的類型將決定是否需要矢量或標量功率校準，但應了解每種與PA測試有關的好處和限制。

ATE校準

在功率精度至關重要的線性和效率測量中，標量校準具有優(yōu)勢。標量校準通常涉及一個帶傳感器的寬帶功率計，以確定測量平面的信號功率。然而，

編輯：黃飛

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