如何測量RF功率放大器和手機的直流偏置電流

在移動電話市場上，手機電池壽命是一項任何客戶都容易評估的技術指標。不足的電池壽命會招致用戶的不滿。因此，在設計手機及其關鍵部件時，通過降低功耗來延長電池壽命是重要的設計考慮。

但目前趨勢卻是沿著相反的方向：移動電話的功能在不斷增加。目前已包括互聯網接入，音頻、視頻，以及具有話音和數據的多模能力，這些功能都增加了電池消耗，縮短了運行時間。為滿足市場要求，移動電話設計師開發了支持眾多能力和多標準的手機，包括在一臺手機上支持GSM、CDΜA、Wi-Fi、HSDPA、WCDΜA等。功能不過增加使所需的驅動功率也越大，即使一些功能不運行也需要消耗功率。

在較早的移動電話設計中，功耗主要決定于RF功率放大器、微處理器、背光和顯示器。設計師為降低功耗在這些子系統上作了許多努力，使其運行時的絕對功耗減到盡可能小的程度。雖然電池也在不斷改進，但其卻跟不上發展要求。為使手機更小、更薄和更輕，需要尺寸和重量更小的電池組，并且要滿足更大顯示屏、更多功能和更長電池壽命的要求。

為達到這些要求，除了在傳統領域盡可能挖掘潛力外，移動電話設計師還必須盡可能地降低功耗。今天，移動電話設計師已轉向可顯著降低功耗的動態功耗使用方法。采用這項節省功率的新技術，手機中的子系統將按照需要開啟或關閉。

但這些子系統始終都與手機內部電源線相連，即使在禁用時，也會泄漏功耗。為了支持眾多RF標準和用戶需要的功能，這些子系統數量還在不斷上升。雖然每個子系統在禁用時泄漏的功耗很小，但加在一起卻會從消耗電池相當大的功率。現代手機為優化每一子系統的性能和功耗，使用了20種不同電平的電壓調整器。而眾多的電平使問題變得更為嚴重。

在研發實驗室中，工程師需要通過大量艱苦的工作對手機軟硬件作出改動，以最小化電流泄露和優化電池壽命，即使這種改動通常都非常小。他們必須在實驗室中精確評估電話的總消耗電流，通過獨立測量每一子系統開啟或關閉時的電流，了解其對設計總體方案的影響。

當前流行的解決方案

雖然在測試中用來給手機上電的大多數電源都有內置的電流測量能力，但這些測量結果也許不夠精確。如果電源不能進行μA?級的電流測量，ATE系統設計師就會轉而選擇數字萬用表。但當利用數字萬用表測量μA?級電流時，電源通路就從電源經過數字萬用表到達DUT。這會增加布線的復雜程度和噪聲。在需要并行測試多臺DUT時，使用數字萬用表意味著要增加多路開關，以及為等待開關穩定和依次測量多臺DUT而增加測試時間。要提高系統吞吐率，可為每一臺DUT專配一臺數字萬用表，這自然也加大了成本和增加了復雜性。

測量這些動態電流的另一種方法是采用只能由少數幾家ATE廠商提供的專用電源，這類電源采用高帶寬的電壓調整器，以及能夠測量很寬范圍電流的集成化數字電流測量系統。在測試時用該專用電源代替手機電池，電源就能測量在測試期間流入手機的電流，直接給出手機功耗和泄露的電流。移動電話制造商在生產測試中用這類專用電源驗證移動電話是否能夠達到功率要求。這類專用電源也可在實驗室中用來表征手機及其關鍵部件。

在移動電話生產中，大多數制造商都會測量手機各種工作狀態，諸如發送、接收、播放和接入互聯網時的較大電流以及關機或待機時的小電流。大電流測量能夠保持ATE系統的快吞吐率，但測量小電流一般較慢，因為待機模式、睡眠模式和泄漏電流測量需要為消除噪聲而采用長的積分周期。

應注意手機是在高電流泄露(如發送脈沖期間)和低電流泄露(如待命時)間切換。這就要求電源能如同手機的電池一樣，電源必須有很快的瞬態響應能力以確保電壓穩定。如果電源在瞬態變化時對手機供電電壓造成波動，手機的低電池電壓探測電路就可能關斷手機。

為精確測量從電池流出的極低電流，這些電源有高阻值的電流分流器(100Ω至10kΩ)。未經校正的大分流電阻將會造成輸出電壓產生非常大的跌落，以及DUT旁路網絡中常見容性負載造成的不穩定性。為此，這些電源必須用專用電路動態來短路這些高阻值分流器，從而把電源的瞬態響應改進到可接受的程度。眾多的專用電源制造商都有各自的技術，其中許多技術受專利保護。

當前解決方案的不足之處

在這類技術中，為解決穩定性問題，往往會把一個大電容器接到高阻值的分流器上。這樣做雖然解決了電壓穩定性問題，但卻會浪費大量的測量時間。因為在小電流流過這些大阻值分流器時，大電阻器和大電容器的組合形成了高時間常數和更長的穩定時間。

此外，這些技術還用MOSFET連接大電阻器，以在大電流驅動時短路電阻器和電容器。激勵這些FET會產生輸出電壓的不連續，這是難以克服的挑戰，并非所有廠家的產品都會取得成功。

多數的解決方案用這些技術為手機的最終測試提供足夠的性能，但無論是在測量速度，還是在動態測量范圍上，尚不能達到測量手機內各種部件的要求。手機生產測試系統的電流測試，通常需要在100ms內完成對30μA的測量精度。但這對于測試手機中的半導體器件來說則是太慢和太不精確了。半導體器件要求更快地測試，工作電流也小得多。許多器件甚至要求亞μA?級的測量精度和數十毫秒的測量速度。

低電流測量的專利技術

為更快和更精確地測量這些低電平電流，Agilent設計師清楚地認識到僅靠發展上述技術是不可能達到最終用戶要求的。現在有了基于Agilent專利技術的新的精確測量低電流方法。采用該專利技術的Agilent電源在高電流時有快的瞬態響應，并能進行快速和精確的低電平電流測量。這種電源能進行更快的小電流測量，因為它不需要等待內部大電容器充電和信號穩定。能在幾毫秒內完成μA?級電流測量，并且只有不到100nA的誤差。對大于2A的電流，瞬態響應時間還不到50μs。

Agilent專利解決方案采用有源方法，它去掉了目前解決方案中與在大電流分流器連接的電容器。雖然沒有電容器，這種有源方法仍解決了大阻值分流器引發的不穩定性問題。沒有了電容器，也就實現了更快的響應時間。專利電路用一個運算放大器把電源輸出路徑中大阻值分流器的電阻(通常為10kΩ或更高)降到只有數mΩ。如果流過運算放大器的電流超過最大閾值，它就開啟一組MOSFET，通過大阻值分流器而允許更高的電流流過。這些MOSFET的通斷以無縫方式完成，而不會產生任何電壓不連續。這項技術允許更快的低電平電流測量，并同時為今天的動態負載保留了優異的瞬態響應性能。

專利方案的應用領域

手機制造商可在生產測試系統中使用這項解決方案，以精確測量待機模式下的整機功耗。而手機元器件制造商，如微處理器、RF功率放大器和其它相關的電路制造商也可在它們的生產測試系統中使用這項解決方案。通過用電源快速測量低電流，制造測試系統就不需要等待電流測量結果，從而提高測試系統的吞吐率。在表征手機的功率放大器發送特性時，吞吐率對于最充分利用昂貴的RF測試資源是至為關鍵的。無論是對于機手還是元器件生產線，設備占用面積也是重要因素，高吞吐率和較小的設備尺寸都有利于高效使用現有廠房空間、傳送帶和 RF測試設備。

Agilent N6700模塊化電源的直流輸出模塊(圖1)已采用這些新的測量技術。研發和生產線工程師能通過選擇具有不同功率、電壓和性能等級的22種直流輸出模塊，配置一套1-4路輸出的直流電源系統。

圖1：IU高度的Agilent N6700模塊化電源是用于自動測試系統的理想設備。

Agilent為研發應用提供N6705A直流源分析儀(圖2)，這是一種全新的測試儀器，它把4臺電源、數字萬用表、大功率任意波形發生器、示波器和數據記錄器集成在一臺儀器中，其體積也適合在工作臺上使用。該直流源分析儀有全功能和友好的用戶界面，能快速設置測試，并且無需編程。對于生產制造，Agilent N6700 1U高度的模塊化電源系統為ATE系統設計師提供優化性能、功率和價格，以滿足生產線測試需要的靈活性。N6700模塊化電源系統有400W-1200W三種主機，在1U高度機箱中可裝入4塊模塊，從而把直流電源的密度增至最大。

圖2：為研發工程師量身打造的Agilent N6705A直流源分析儀。

當在N6700 模塊化電源系統主機中使用配備選件1UA μA?級電流測量系統的模塊時，測量特性就包括通過它的內置電流表進行積分式μA?級電流測量，并使用50kHz數化儀把數據捕獲至 4096點的緩存器。

當 N6705A 直流源分析儀裝入帶有選件1UA的電源模塊時，該μA?級電流測量系統就能用直流源分析儀的內置電流表、示波器和數據記錄器功能捕獲電流。

除了測量低電流外，選件 1UA 還增加了用來斷開電源正邊和負邊，包括遠端感應線的機械繼電器，從而實現電源和被測件之間完全的電氣隔離。