在所有射频和微波系统中几乎都要用到放大器，放大器也是通信、雷达和卫星转发系统中必不可少的单元，因此应用非常广泛。在平时的测量中，更多地关注放大器的线性参数，如增益和回波损耗，但当放大器的输入功率超过一定值后，会脱离线性增益区域使放大器接近饱和状态（即增益压缩），如图1所示，相对于线性增益下降1dB的输入（输出）功率电平称为1dB压缩点。

图1  放大器的输入输出特性

功率过大带来的增益下降、谐波增大等问题，会给系统的设计带来麻烦甚至毁灭性的破坏。放大器芯片在使用时希望工作状态在线性区，因此增益压缩测试对获取放大器的性能参数并指导设计生产很重要。

增益压缩测试系统包括3672矢量网络分析仪、探针台、探针和功率计等设备，可实现对微波放大器芯片线性参数及压缩参数的测试。通过一次测量，即可得到全部频点的压缩点，将压缩点的输入功率、输出功率及增益等信息一次显示出来。通过压缩参数和线性参数的对比，可以看出放大器在线性区和饱和区的工作状态发生了哪些改变。测试的主要参数如下：

1）S21：线性增益；

2）CompIn21：压缩点的输入功率；

3）CompOut21：压缩点的输出功率；

4）CompGain21：压缩点的增益；

5）CompS11：压缩点的输入匹配；

6）DeltaGain：压缩点的增益-线性增益。

本文设计了On-wafer测试试验，搭建基于矢量网络分析仪的增益压缩测试系统，通过对放大器芯片的测试，介绍片上测量增益压缩的基本步骤。

1、系统组成

1.1 测试系统

测试系统组成如图2所示，此系统的主要组成为：

1）3672系列矢量网络分析仪。型号3672D，频段10MHz~50GHz；

2）探针台。型号：CASCADE 12652B-6；

3）GSG探针。型号：CASCADE I67-A-GSG-150，间距150μm，2个；

4）校准片。型号：CASCADE 101-190C；

5）直流探针；

6）直流电源；

7）USB功率计探头。型号：87233连续波功率计探头，频率范围50MHz~40GHz，功率范围-60dBm~+20dBm，如图3所示。

图2  在片测试系统构成

图3  功率计探头

1.2被测器件

被测器件为放大器，有源元器件，其工作频率范围为2.6GHz~3.8GHz，电压+5V@42mA。

2、测试流程

2.1 测量设置

（1）开启矢量网络分析仪预热充分；

（2）根据增益压缩测试要求及预测试分析，在矢量网络分析仪中点击[响应]→[测量]→[测量类]，选择[增益压缩]，如图4所示。

图4  建立增益压缩测量对话框

设定增益压缩测试频率范围、功率范围及压缩方法等，如图5所示。其中可以设置压缩方法，支持的压缩方法有：

1）从线性增益压缩  压缩电平依据线性压缩获得；

2）从最大增益压缩  压缩电平依据最大压缩电平测得；

3）从回退点压缩  利用压缩电平和回退点找出压缩点；

4）X/Y压缩  利用特定参量（X和Y）作为标准找出压缩点；

5）饱和态压缩  与最大增益压缩相似，除了特定的压缩电平从超出电平的最大功率测量，更适合测量非单调增益的放大器。

根据预测试的结果，设定值及设置方法如表1所示。

图5  增益压缩参数设置

表1 矢量网络分析仪测试设置及方法

2.2 系统校准

在矢量网络分析仪上选择【校准】→[校准…]，并按向导校准完成所有校准。

（1）选择被测件的连接类型为No Gender，校准件选择已预编辑好并存矢量网络分析仪中的“I67_GSG_150_3”，如图6所示。

图6  向导校准设置

（2）进行功率校准。功率校准使用功率计对矢量网络分析仪的源功率进行校准，将功率计的USB接口接到矢量网络分析仪上，并将其同轴接口与矢量网络分析仪的1端口相连，连接示意如图7所示。待从矢量网络分析仪上识别出功率计后进行校准，设置功率偏移为0dB，容差为0.2dB，最大读取次数为5，如图8所示。校准完成如图9所示，功率校准时间相对较长。

图7  矢量网络分析仪与功率计的连接方式

图8  功率校准配置

图9  功率校准过程

功率校准通过后，用同轴电缆将两个探针与矢量网络分析仪的两端口连接，并根据校准向导的引导进行双端口SOLT校准，校准平面为探针端面。校准完成后，矢量网络分析仪可保存.cst校准文件方便回调。

2.3 增益压缩测试

校准完成，将校准片从载物台取下，放上被测放大器芯片，芯片在显微镜下如图10所示。开始对其测试。

图10  被测放大器芯片

已知该低噪声放大器芯片增益为24dB。增益压缩测试可得到芯片的S21（线性增益）、CompGain21、DeltaGain21、CompIn21和CompOut21等参数，这些参数的测量结果分别如图11所示。矢量网络分析仪中还支持三维显示频率-功率-增益曲线，更直观地观察增益压缩。从测试结果可以看出，放大器的线性增益在24dB以上，1dB压缩点增益在23dB以上，且曲线形状吻合；1dB压缩点输入功率在-15dBm~-11dBm之间，输出功率在8dBm~12dBm之间。

（a）二维增益压缩图

图11  被测件S参数测试结果

3、总结

增益压缩测试系统中扫描方式以及压缩方法根据实际测试需求决定，3672矢量网络分析仪提供了多种灵活的选择，满足绝大部分用户需求，并且经过简单操作后即可得到同种芯片的多种状态参数，使用方便快捷，可应用于放大器芯片的生产测试环节。（作者：李宇阳 刘森 杨保国 郑利颖）

关键词:芯片 测试 解决方案

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来 源：中电仪器

编辑：清风

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