一种基于PNA-X的脉冲功率放大器效率快速测试方法

陈金远，李智群，钱 峰，焦 芳

（1. 南京电子器件研究所，南京 210016；2. 东南大学集成电路工程学院，南京 210096）

1 引言

附加效率作为功率放大器的一项重要性能指标，一直受到广大器件设计者及使用者的重点关注。脉冲功率放大器测试技术经过近几年的发展，逐步形成一套稳定的测试模式和测试方法。通过前期的工作，我们对功率放大器单片进行脉冲在片测试能够提供的测试参数包括线性增益、相位、输入驻波、静态电流和饱和状态下的输出功率、相位、输入驻波等参数[1]，从功率单片全参数测试方面看，此方法并不能反映放大器芯片效率情况, 因此相关测试技术有待完善。

为了更全面地反映功率单片性能，开展如何进行在片脉冲功率测试扫频下的动态电流测试研究是很有必要的，也是效率测试的关键。

2 常见测试方法

以下分析几种常见动态电流测试方法，试图寻找一种合适的测试方法用于功率单片在片生产测试应用环境，它需要具备稳定性高、精度高以及速度快的基本优势。

2.1 电源直接读取

采用信号源与功率计可以直接测试放大器效率，其测试方法如图1所示。

图1 直流电源直接读取方法

这种测试方法广泛应用于放大器连续波测试，也常见于脉冲状态下的效率测试，在脉冲状态下读取的电流值为测试频点下的平均电流，测试精度较高。此方法应用于脉冲连续扫频状态下的快速测试，存在两个问题：首先难以实现电流采集与扫频同步，其次脉冲状态下读取电流值为平均电流，读取的电流包含电源调制电路的电流，测试精度还会受测试占空比等测试条件的影响。

2.2 利用电流探头与示波器采集动态电流

为了实现脉冲下的精确电流测试，去除电源脉冲调制模块电流引入的误差，在图1的方法上进行改进，引入电流探头直接读取待测件的工作电流，测试方法如图2所示。

图2 利用电流探头采集工作电流

这种改进后的方法可以直接采集到器件的工作电流，提高电流测试精度，是解决脉冲工作电流测试的有效解决方案，这种测试方法解决了脉冲电流采集问题，但涉及电源、示波器、信号源以及功率计各仪器间的通信速度和频率同步切换，成为快速测试的制约项。因此以上两种最常用的测试方法不适用于在片脉冲放大器的生产测试，不具备工程应用价值。

3 基于PNA-X的效率测试方法

基于PNA-X的脉冲功率放大器测试是目前行业内最快的放大器测试方法之一，在PNA-X系列矢量网络分析仪的后面板都增加了一个接口（Power I/O），该接口除提供两路直流输出外，还提供内置电压表支持两路输入电压测量，在此基础上推出一种效率测试方法[2]，这种方法直观、简捷，测试速度很快，内部转换时间小于1 μs[2]，可以解决快速扫频测试下的同步问题，测试原理如图3所示。

图3 基于PNA-X的放大器电流测试[3]

这种测试方法中的关键探测电路（Sensing circuit）可以等效为一个电阻Rs，利用电流经过串联电阻时电阻两端压降将工作电流转换为电压，利用Power I/O的两路电压测量（AnalogIn1、AnalogIn2）直接得到电阻两端的电压（AI1、AI2），从而得到待测放大器的动态工作电流：

而放大器输出功率（Pout）可以直接测试得到，输入功率（Pin）及工作电压（Vd）已知，因此可以得到功率放大器的附加效率：

综合上述测试方法，最突出的优点是可以解决脉冲状态下电流测试的同步问题，但这个方法实际应用于宽带大功率放大器测试时存在一个缺陷。因为放大器的匹配设计导致在工作频带内各个频点匹配状态不同，因此在做扫频测试时，每个频点的动态工作电流不同，电阻Rs带来的影响就是引起不同频点上电源供给待测芯片根部的驱动电压随着电流的变化而变化，这个状态与待测件实际工作状态都不相同，将使得测试结果失去意义。在连续波工作状态下可以通过直流稳压电源（S端）的自动补偿解决此问题，但脉冲工作状态下难以实现。

4 基于PNA-X的效率测试方法改进

针对前面一些测试方法的优缺点综合考虑，提出一个新的解决方法，就是电流探头结合PNX后面板Power I/O结合的方法。

基于PNA-X的效率测试方法解决了快速脉冲同步问题，推想仅需要得到与实际工作电流相关的一个电压值VId即可，但不能影响待测件的驱动电压。而在电流探头与示波器的结合测试方法中，可以通过电流探头直接得到待测器件的工作电流，电流探头提供了需要的VId，因此引入新的测试方法，如图4所示。

图4 基于PNA-X的新效率测试方法

这个方法有效利用PNA-X自身的快速同步功能，同时巧妙避开了串接电阻Rs引起的压降效应，使得到达芯片根部电压与工作状态相同，在有效采集动态电流的同时不影响其他参数的测试。

基于此改进测试方法测试脉冲放大器的测试显示界面如图5所示，可以同时测试脉冲放大器功率参数、动态电流及线性S参数等。

图5 基于PNA-X的新方法测试界面

使用此方法后新增测试参数而对测试速度未造成影响，1 ms脉冲周期下，同时测试功率放大器的线性、饱和状态下的增益、功率、相位、驻波参数及效率，扫描250频点总耗时不超过15 s，测试效果如图6所示。

图6 实际测试速度显示

5 测试结果验证

5.1 不确定度验证

利用一款8.5 GHz～10.5 GHz功率放大器芯片验证新的测试方法，其动态工作电流4～5 A，选用Keysight N2882A电流探头，其测试结果不确定度如图7。

图7 测试结果及不确定度

就测试结果来看，测试稳定性控制在1%以内，对该款产品的测试而言测试方法的稳定性是足够的。可以根据不同测试电流范围选择合适的电流探头，这与PNA-X的AnalogIn1、AnalogIn2接收端口标称精度相关，为±1.22 mV[2]。这是影响不确定度的主要因素，另外N2882A电流探头的感应电流电压转化比为0.1 V/A，因此如果测试其他电流范围需要考虑电流探头电压转化比对测试精度的影响。

5.2 测试准确性验证

还是采用相同电流探头对同款产品的测试精度进行验证，选择其工作频带内任意一点采用脉冲状态下测试进行比较，结果如图8所示。

图8 新方法与电源读取的电流相对误差

本实验AnalogIn1读取电流较电源直接读取电流偏大1%～3%，选取测试典型值进行对比，最终测试效率结果如图9所示，功率放大器在同种工作状态下测试效率差别控制在1%以内，此测试效率方法的精度是可以信赖的，测试方法是可行的。

图9 新方法与电源读取的测试效率结果对比

6 结论

本测试方法可用于脉冲功率放大器的快速效率测试，但解决方案并不完美，相同设备状态下使用范围存在一定的局限性，需要注意的问题主要有以下两个方面：

（1）测试精度与电流探头的选择相关，电流探头的电压转化比与Power I/O的模拟输入端测试精度对测试结果起到主要影响作用；

（2）电流探头的磁化效应会影响测试结果的准确性及稳定性，长时间的测试需要注意探头漂移误差，需要实时消磁调零。

[1]陈金远，陶洪琪，曹敏华，等. GaAs功率单片脉冲在片测试技术研究[J].固体电子学研究与进展，2012，32：582-583.

[2]PNA Series Network Analyzer Help (Keysight Technologies)[EB/OL].http：//na.tm.keysight.com/pna/help/ ,2013.

[3]PNA-X Application-Power-Added Efficiency (PAE)Application Note 1408-16 (Keysight Technologies) [EB/OL]. http：//www.keysight.com, 2007.