如何测量RF功率放大器和手机的直流偏置电流

如何测量RF功率放大器和手机的直流偏置电流
  在移动电话市场上，手机电池寿命是一项任何客户都容易评估的技术指标。不足的电池寿命会招致用户的不满。因此，在设计手机及其关键部件时，通过降低功耗来延长电池寿命是重要的设计考虑。
  
  但目前趋势却是沿着相反的方向：移动电话的功能在不断增加。目前已包括互联网接入，音频、视频，以及具有话音和数据的多模能力，这些功能都增加了电池消耗，缩短了运行时间。为满足市场要求，移动电话设计师开发了支持众多能力和多标准的手机，包括在一台手机上支持GSM、CDΜA、Wi-Fi、HSDPA、WCDΜA等。功能不过增加使所需的驱动功率也越大，即使一些功能不运行也需要消耗功率。
  
  在较早的移动电话设计中，功耗主要决定于RF功率放大器、微处理器、背光和显示器。设计师为降低功耗在这些子系统上作了许多努力，使其运行时的绝对功耗减到尽可能小的程度。虽然电池也在不断改进，但其却跟不上发展要求。为使手机更小、更薄和更轻，需要尺寸和重量更小的电池组，并且要满足更大显示屏、更多功能和更长电池寿命的要求。
  
  为达到这些要求，除了在传统领域尽可能挖掘潜力外，移动电话设计师还必须尽可能地降低功耗。今天，移动电话设计师已转向可显着降低功耗的动态功耗使用方法。采用这项节省功率的新技术，手机中的子系统将按照需要开启或关闭。
  
  但这些子系统始终都与手机内部电源线相连，即使在禁用时，也会泄漏功耗。为了支持众多RF标准和用户需要的功能，这些子系统数量还在不断上升。虽然每个子系统在禁用时泄漏的功耗很小，但加在一起却会从消耗电池相当大的功率。现代手机为优化每一子系统的性能和功耗，使用了20种不同电平的电压调整器。而众多的电平使问题变得更为严重。
  在研发实验室中，工程师需要通过大量艰苦的工作对手机软硬件作出改动，以最小化电流泄露和优化电池寿命，即使这种改动通常都非常小。他们必须在实验室中精确评估电话的总消耗电流，通过独立测量每一子系统开启或关闭时的电流，了解其对设计总体方案的影响。
  
  当前流行的解决方案
  
  虽然在测试中用来给手机上电的大多数电源都有内置的电流测量能力，但这些测量结果也许不够精确。如果电源不能进行μA?级的电流测量，ATE系统设计师就会转而选择数字万用表。但当利用数字万用表测量μA?级电流时，电源通路就从电源经过数字万用表到达DUT。这会增加布线的复杂程度和噪声。在需要并行测试多台DUT时，使用数字万用表意味着要增加多路开关，以及为等待开关稳定和依次测量多台DUT而增加测试时间。要提高系统吞吐率，可为每一台DUT专配一台数字万用表，这自然也加大了成本和增加了复杂性。
  
  测量这些动态电流的另一种方法是采用只能由少数几家ATE厂商提供的专用电源，这类电源采用高带宽的电压调整器，以及能够测量很宽范围电流的集成化数字电流测量系统。在测试时用该专用电源代替手机电池，电源就能测量在测试期间流入手机的电流，直接给出手机功耗和泄露的电流。移动电话制造商在生产测试中用这类专用电源验证移动电话是否能够达到功率要求。这类专用电源也可在实验室中用来表征手机及其关键部件。
  
  在移动电话生产中，大多数制造商都会测量手机各种工作状态，诸如发送、接收、播放和接入互联网时的较大电流以及关机或待机时的小电流。大电流测量能够保持ATE系统的快吞吐率，但测量小电流一般较慢，因为待机模式、睡眠模式和泄漏电流测量需要为消除噪声而采用长的积分周期。
  
  应注意手机是在高电流泄露(如发送脉冲期间)和低电流泄露(如待命时)间切换。这就要求电源能如同手机的电池一样，电源必须有很快的瞬态响应能力以确保电压稳定。如果电源在瞬态变化时对手机供电电压造成波动，手机的低电池电压探测电路就可能关断手机。
  
  为精确测量从电池流出的极低电流，这些电源有高阻值的电流分流器(100Ω至10kΩ)。未经校正的大分流电阻将会造成输出电压产生非常大的跌落，以及DUT旁路网络中常见容性负载造成的不稳定性。为此，这些电源必须用专用电路动态来短路这些高阻值分流器，从而把电源的瞬态响应改进到可接受的程度。众多的专用电源制造商都有各自的技术，其中许多技术受专利保护。
  
  当前解决方案的不足之处
  
  在这类技术中，为解决稳定性问题，往往会把一个大电容器接到高阻值的分流器上。这样做虽然解决了电压稳定性问题，但却会浪费大量的测量时间。因为在小电流流过这些大阻值分流器时，大电阻器和大电容器的组合形成了高时间常数和更长的稳定时间。
  此外，这些技术还用MOSFET连接大电阻器，以在大电流驱动时短路电阻器和电容器。激励这些FET会产生输出电压的不连续，这是难以克服的挑战，并非所有厂家的产品都会取得成功。
  
  多数的解决方案用这些技术为手机的最终测试提供足够的性能，但无论是在测量速度，还是在动态测量范围上，尚不能达到测量手机内各种部件的要求。手机生产测试系统的电流测试，通常需要在100ms内完成对30μA的测量精度。但这对于测试手机中的半导体器件来说则是太慢和太不精确了。半导体器件要求更快地测试，工作电流也小得多。许多器件甚至要求亚μA?级的测量精度和数十毫秒的测量速度。
  低电流测量的专利技术
  
  为更快和更精确地测量这些低电平电流，Agilent设计师清楚地认识到仅靠发展上述技术是不可能达到最终用户要求的。现在有了基于Agilent专利技术的新的精确测量低电流方法。采用该专利技术的Agilent电源在高电流时有快的瞬态响应，并能进行快速和精确的低电平电流测量。这种电源能进行更快的小电流测量，因为它不需要等待内部大电容器充电和信号稳定。能在几毫秒内完成μA?级电流测量，并且只有不到100nA的误差。对大于2A的电流，瞬态响应时间还不到50μs。
  
  Agilent专利解决方案采用有源方法，它去掉了目前解决方案中与在大电流分流器连接的电容器。虽然没有电容器，这种有源方法仍解决了大阻值分流器引发的不稳定性问题。没有了电容器，也就实现了更快的响应时间。专利电路用一个运算放大器把电源输出路径中大阻值分流器的电阻(通常为10kΩ或更高)降到只有数mΩ。如果流过运算放大器的电流超过最大阈值，它就开启一组MOSFET，通过大阻值分流器而允许更高的电流流过。这些MOSFET的通断以无缝方式完成，而不会产生任何电压不连续。这项技术允许更快的低电平电流测量，并同时为今天的动态负载保留了优异的瞬态响应性能。
  
  
  专利方案的应用领域
  
  手机制造商可在生产测试系统中使用这项解决方案，以精确测量待机模式下的整机功耗。而手机元器件制造商，如微处理器、RF功率放大器和其它相关的电路制造商也可在它们的生产测试系统中使用这项解决方案。通过用电源快速测量低电流，制造测试系统就不需要等待电流测量结果，从而提高测试系统的吞吐率。在表征手机的功率放大器发送特性时，吞吐率对于最充分利用昂贵的RF测试资源是至为关键的。无论是对于机手还是元器件生产线，设备占用面积也是重要因素，高吞吐率和较小的设备尺寸都有利于高效使用现有厂房空间、传送带和 RF测试设备。
  
  
  Agilent N6700模块化电源的直流输出模块(图1)已采用这些新的测量技术。研发和生产线工程师能通过选择具有不同功率、电压和性能等级的22种直流输出模块，配置一套1-4路输出的直流电源系统。
  
  
  
图1：IU高度的Agilent N6700模块化电源是用于自动测试系统的理想设备。
  
  Agilent为研发应用提供N6705A直流源分析仪(图2)，这是一种全新的测试仪器，它把4台电源、数字万用表、大功率任意波形发生器、示波器和数据记录器集成在一台仪器中，其体积也适合在工作台上使用。该直流源分析仪有全功能和友好的用户界面，能快速设置测试，并且无需编程。对于生产制造，Agilent N6700 1U高度的模块化电源系统为ATE系统设计师提供优化性能、功率和价格，以满足生产线测试需要的灵活性。N6700模块化电源系统有400W-1200W三种主机，在1U高度机箱中可装入4块模块，从而把直流电源的密度增至最大。
  
  
  
图2：为研发工程师量身打造的Agilent N6705A直流源分析仪。
  
  当在N6700 模块化电源系统主机中使用配备选件1UA μA?级电流测量系统的模块时，测量特性就包括通过它的内置电流表进行积分式μA?级电流测量，并使用50kHz数化仪把数据捕获至 4096点的缓存器。
  
  当 N6705A 直流源分析仪装入带有选件1UA的电源模块时，该μA?级电流测量系统就能用直流源分析仪的内置电流表、示波器和数据记录器功能捕获电流。
  
  除了测量低电流外，选件 1UA 还增加了用来断开电源正边和负边，包括远端感应线的机械继电器，从而实现电源和被测件之间完全的电气隔离。