氮化鎵功率放大器生產測試的獨特挑戰

Devin Morris, RoosInstruments

隨著5G的推出，新的無線電網絡基礎設施的一個重要環節是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。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。

這種工藝技術的優勢卻為鑒定射頻GaN器件和MMIC的性能和穩健性帶來了獨特的測試挑戰。由于GaN在基站PA中是相對較新的技術，生產測試是工藝表征、性能鑒定和可靠性評估的混合。與傳統的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。雖然電壓是傳統的，但為避免損壞被測器件(DUT)或測試設備，電源的空閑狀態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。這就要求生產測試環境要模仿傳統的微波測試臺。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架構的發展，它提供了與臺式儀器相當的性能，同時提供可配置的測試資源，可根據應用定制，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。

測試生產線中的GaN PA的挑戰是高射頻功率、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、功率計和矢量網絡分析儀的功能。這種整合實現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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