國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)射頻測試模塊設(shè)計

(北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

集成電路產(chǎn)業(yè)分為設(shè)計、制造、封裝、測試4個環(huán)節(jié)，集成電路測試技術(shù)是發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的三大支撐技術(shù)之一，因為它是保證集成電路性能和質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。集成電路測試成本十分昂貴，高成本的測試技術(shù)制約了集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前集成電路測試成本在整個產(chǎn)業(yè)成本中超過50%，未來甚至能超過80%[1]。以上現(xiàn)象最主要的原因是隨著工作頻率的不斷提高，射頻集成電路的測試成本不斷增加。因此，為了促進集成電路測試技術(shù)快速發(fā)展，降低測試設(shè)備成本和縮短測試時間成為節(jié)約測試成本的主要途徑[2]。因此高效率射頻集成電路測試系統(tǒng)和高性能射頻集成電路測試設(shè)備研制成為集成電路產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵技術(shù)。

國外研究人員主要通過提高射頻測試設(shè)備綜合性能及性價比和采用高效率的自動化并行測試來節(jié)約射頻芯片測試成本。在自動化并行測試設(shè)備設(shè)計中，尤其在芯片量產(chǎn)過程中采用的測試設(shè)備在性價比、功能覆蓋度和功能匹配度等方面具有較高的需求[3]。當前量產(chǎn)測試主要采用自動化測試設(shè)備ATE(automatic test equipment)[4]。業(yè)界比較知名的集成射頻模塊的ATE測試系統(tǒng)有美國泰瑞達公司的ULTRAFLEX測試系統(tǒng)、日本愛德萬公司的T2000及V93000測試系統(tǒng)[5]。而在提升射頻測試儀器綜合性能方面的代表有美國NI公司發(fā)布的射頻矢量收發(fā)儀系列模塊為組成核心的芯片測試系統(tǒng)STS。

國內(nèi)在芯片自動化測試系統(tǒng)這一領(lǐng)域基礎(chǔ)較弱，多數(shù)自動化測試都基于國外引進測試設(shè)備開展研究[6-8]。當前國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)恰處于快速發(fā)展的機遇期[9]，射頻芯片測試需求和測試成本不斷對測試設(shè)備提出新的要求。因此，國產(chǎn)射頻芯片自動化測試系統(tǒng)開發(fā)成為促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當務(wù)之急。本文重點開展國產(chǎn)射頻芯片自動測試系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計。如圖1所示，國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)中包含模擬測試模塊、數(shù)字測試模塊、射頻測試模塊、時鐘測試模塊和電源管理測試模塊等，測試中電源管理測試模塊、數(shù)字測試模塊、時鐘測試模塊等配合射頻測試模塊對射頻芯片及綜合性的多功能芯片進行自動化測試。

圖1 國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

本文主要針對50 M-12 GHz國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)射頻測試模塊開展研究與設(shè)計。針對WIFI、藍牙等多款商用芯片的射頻測試需求，并結(jié)合5G通信技術(shù)協(xié)議中主要射頻指標，本文中射頻測試模塊能夠完成矢量信號收發(fā)、矢量信號頻譜分析、雙音信號產(chǎn)生、S參數(shù)測量，噪聲系數(shù)測量等多種功能。這套自主研制系統(tǒng)覆蓋當前和未來主流射頻芯片的測試指標，并填補國內(nèi)射頻芯片自動測試模塊設(shè)計的技術(shù)空白。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

射頻測試模塊可單獨作為一個子系統(tǒng)進行設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)包含兩個部分：矢量信號收發(fā)模塊、射頻前端模塊。每個部分都由兩個相同的模塊來構(gòu)成整個系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有4個射頻通道，16個射頻測試端口。

圖2 射頻測試模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

從系統(tǒng)功能上來說：

1)矢量信號收發(fā)模塊：在發(fā)射信號狀態(tài)下，模塊產(chǎn)生50 M-6 GHz矢量信號并輸出到后級，信號帶寬最大為1 GHz；在接收信號狀態(tài)下，模塊對接收的50 M-6 GHz矢量信號進行幅度和相位分析，信號帶寬最大為1 GHz。同時具備雙音信號產(chǎn)生功能。

2)射頻前端模塊：射頻前端模塊由變頻單元和射頻開關(guān)單元構(gòu)成。變頻單元對矢量收發(fā)信號進行變頻操作，實現(xiàn)50 MHz-12 GHz矢量信號生成和分析功能，矢量信號帶寬最大為1 GHz。射頻開關(guān)單元主要由路徑選擇電路和增益調(diào)整電路構(gòu)成，可以完成S參數(shù)測量、噪聲系數(shù)測量等功能。射頻單元包含16路射頻信號輸入輸出端口，各端口工作頻率范圍為50 M～12 GHz，信號帶寬最大為1 GHz。

射頻前端模塊可以根據(jù)未來芯片工作頻段拓寬進行同步更新設(shè)計，可以直接將頻率由6 GHz擴展至18 GHz或更高的頻率，因而使整個測試系統(tǒng)具有更好的擴展性，方便技術(shù)升級。

射頻開關(guān)單元包含4個射頻通道，每個射頻通道有4個射頻端口，4個射頻通道工作頻率范圍為50 M～12 GHz，信號帶寬最大為1 GHz。它主要由路徑選擇單元和增益調(diào)整單元構(gòu)成，射頻開關(guān)單元可以完成S參數(shù)測量、噪聲系數(shù)測量等功能。

綜上，本系統(tǒng)具有矢量信號發(fā)生器、矢量信號分析儀、頻譜分析儀、噪聲系數(shù)分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S參數(shù)測量等功能。能夠完成50 M～12 GHz矢量信號收發(fā)、50 M～6 GHz雙音信號產(chǎn)生、50 M～6 GHz的S參數(shù)測量，50 M～12 GHz噪聲系數(shù)測量等，功能基本覆蓋常用射頻芯片的線性度、增益、輸出功率、效率、反射系數(shù)、噪聲系數(shù)等性能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 矢量信號收發(fā)模塊

矢量信號收發(fā)模塊功能如圖3所示。它由超寬帶低相噪頻率合成子模塊、IQ基帶調(diào)制解調(diào)子模塊、寬帶調(diào)理劑功率放大單元和寬帶濾波及功率控制單元組成。

圖3 矢量信號收發(fā)模塊功能框圖

在發(fā)射狀態(tài)下，數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生數(shù)字信號并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，由DAC產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)過IQ基帶調(diào)制解調(diào)子模塊進行信號調(diào)制，在FPGA內(nèi)進行自適應(yīng)脈沖成型濾波處理，得出自適應(yīng)脈沖成型濾波器的最優(yōu)化參數(shù)，參數(shù)更新后對數(shù)字濾波器可調(diào)參數(shù)進行控制，對輸出信號頻譜點進行適量延時補償，與原信號進行矢量合成輸出。

在接收狀態(tài)下，接收的射頻信號首先進入寬帶濾波及功率控制單元進行濾波和功率調(diào)整，之后信號進入IQ基帶調(diào)制解調(diào)子模塊進行解調(diào)，解調(diào)后的信號進入模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器(ADC)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在FPGA中對高速ADC數(shù)據(jù)進行并行寬帶實時信號處理，將高速ADC數(shù)據(jù)降速為4路時序間插信號，然后輸入數(shù)據(jù)降速處理模塊，數(shù)據(jù)降速處理模塊將4路時間間插信號轉(zhuǎn)換為4段時間連續(xù)信號，以實現(xiàn)多信號處理通道并行執(zhí)行，而信號處理通道內(nèi)則采用流水線作業(yè)。每個通道間，數(shù)字信號首先和正交的兩路數(shù)字本振實現(xiàn)數(shù)字下變頻，將信號混到零頻，然后進入多級抽取濾波器組進行降速率和濾波處理。濾波器可以根據(jù)不同帶寬需求進行配置一實現(xiàn)在測試過程中帶寬改變，濾波后的數(shù)字信號在FPGA中完成FFT、檢波等工作。

為解決矢量信號收發(fā)模塊體積過大的技術(shù)難題，設(shè)計中采用小型化設(shè)計作為關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計中首先借鑒軟件無線電發(fā)展成果，能用數(shù)字方式解決技術(shù)難題都用數(shù)字方式來解決，降低變頻單元的設(shè)計難度；射頻模塊的設(shè)計方案中選用盡小體積器件和簡潔的方案，可以采用微機電器件和體積小的濾波器等小型化的微波芯片和單片電路，同時對于寬帶射頻微波電路，要在設(shè)計中采用基于微波芯片的二次混合集成PCB設(shè)計方法，所有的器件全部設(shè)計在一張完整的PCB上，從而盡可能的縮減模塊電路體積。

2.2 射頻前端模塊

2.2.1 變頻單元

變頻單元主要對測試矢量信號頻率進行變換，主要包含上下變頻模塊。上變頻的電路原理如圖4所示，其中主要包含本振信號鏈路和上變頻鏈路，本振信號鏈路主要為上變頻模塊提供穩(wěn)定的頻率源；上變頻鏈路主要對變頻前后的信號進行濾波和增益調(diào)整。下變頻電路的設(shè)計思路和上變頻信號類似，工作原理不再贅述，其電路如圖5所示。

圖4 上變頻電路示意圖

圖5 下變頻電路示意圖

2.2.2 射頻開關(guān)單元

射頻開關(guān)單元中的多路選擇通道設(shè)計是實現(xiàn)高效率、多功能并行測試的關(guān)鍵技術(shù)。它的電路原理如圖6所示，根據(jù)功能要求合理設(shè)計多路選擇開關(guān)和增益調(diào)理模塊組成的射頻通道。開關(guān)矩陣所包含的每個通道中信號發(fā)射路徑和信號接收路徑是分離的，每個通道的最大信號帶寬均為1 GHz。同時設(shè)計中以提高測試效率為指導(dǎo)原則，盡可能多的增加射頻鏈路的復(fù)用率，通過并行分配信號來實現(xiàn)多功能和高效率測試。同時射頻開關(guān)單元能夠輔助系統(tǒng)完成S參數(shù)測量、噪聲系數(shù)測量等功能。

圖6 多路射頻開關(guān)單元中多路選擇通道設(shè)計

在射頻前端模塊設(shè)計中采用復(fù)雜整體腔體屏蔽技術(shù)，在模塊射頻電路設(shè)計中，為增強整體腔體屏蔽能力，除了增加濾波器和射頻開關(guān)外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也需要注意。將每個混頻器電路和鎖相電路都盡量設(shè)計在獨立腔體中，設(shè)計中各個腔體均采用內(nèi)嵌式蓋板結(jié)構(gòu)，各腔體間不能有縫隙，腔體蓋板上安裝孔的間距為四分之一波長，腔體與蓋板間采用凹槽并填充導(dǎo)電材料的方式增加屏蔽效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計思路

應(yīng)用軟件從實現(xiàn)功能上主要分為以下5個套件：矢量信號生成軟件、矢量信號分析軟件、S參數(shù)測量軟件、噪聲系數(shù)測量軟件、測試流程下載軟件。下面簡述各個軟件功能：

1)矢量信號生成軟件能夠完成多達16路50 MHz～12 GHz連續(xù)波或PSK、FSK、MSK、16QAM等矢量調(diào)制信號產(chǎn)生和傳輸。軟件能夠產(chǎn)生2路獨立矢量信號并生成雙音信號，可以完成信號頻率、功率、帶寬和調(diào)制類型等參數(shù)設(shè)置。

2)矢量信號分析軟件能夠接收和測量多個無線信號，提供可視化和射頻分析功能，方便同時查看各個信號主要頻率信息、調(diào)制IQ星座圖和EVM。還可以實現(xiàn)矢量信號的頻譜分析功能。

3)S參數(shù)測量軟件為射頻芯片提供S參數(shù)測量功能，軟件控制矢量信號收發(fā)單元與射頻前端模塊的通道選擇，最終提供可視化分析功能，可以查看反射系數(shù)、 駐波比等多個參數(shù)。

4)噪聲系數(shù)測量軟件控制噪聲源輸出，并通過對控制信號接收通路完成噪聲信號采集，最后通過調(diào)用噪聲系數(shù)算法包進行噪聲系數(shù)處理，最終提供可視化數(shù)據(jù)顯示噪聲系數(shù)。

5)測試流程設(shè)置下載軟件完成測試流程參數(shù)的編輯與程序燒寫，測試時集成電路測試系統(tǒng)軟件選擇測試流程，本軟件進行參數(shù)編寫并完成程序下載，為了節(jié)省不必要的硬件開銷，軟件每一次下載更改參數(shù)，對于沒有更改的參數(shù)，默認原始值。

軟件設(shè)計中根據(jù)每個測試功能的實際測試流程，在軟件中配置了相應(yīng)的校準流程、測試步驟、測試數(shù)據(jù)自動存儲流程和圖形化顯示。同時在每個軟件功能模塊中設(shè)置測試性能的合格指標及指標不合格時被測件編號和指標報警信息界面。

3.2 軟件功能框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計一個總工作界面，工作界面中包含各個子功能單元，每個子功能單元都具有獨立子界面，每個子界面都包含相應(yīng)的控件，用來控制測試過程中相關(guān)硬件參數(shù)的設(shè)置和硬件系統(tǒng)的配置。

在應(yīng)用程序啟動參數(shù)配置好以后，可以在任意時刻啟動應(yīng)用程序。應(yīng)用程序功能如圖7所示。

圖7 應(yīng)用程序功能框圖

在用戶輸入?yún)?shù)后，應(yīng)用程序?qū)⒏淖兊膮?shù)設(shè)置到接口(算法)層，接口層在接收到參數(shù)改變時，先將已改變的參數(shù)緩存起來，然后終止當前測量，等待應(yīng)用啟動下一次測量。應(yīng)用發(fā)起下一次測量時，接口層將先配置已經(jīng)改變的參數(shù)，然后啟動數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)采集完成后執(zhí)行相應(yīng)的對齊算法，在完成對齊后反饋數(shù)據(jù)到應(yīng)用層，應(yīng)用層根據(jù)當前所處測量類型完成相應(yīng)測量并更新顯示。

4 系統(tǒng)指標與分析

4.1 系統(tǒng)指標

為覆蓋當前射頻芯片的主要測試指標，同時能夠準確把握射頻芯片測試指標未來的發(fā)展趨勢，設(shè)計中通過對當前主流射頻芯片的功能指標和對當前主流測試設(shè)備性能指標進行詳細調(diào)研，最終確定射頻測試模塊中各個測試功能模塊的指標如表1所示。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8為國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)示意圖，將本文設(shè)計的射頻系統(tǒng)板卡插入到圖8中系統(tǒng)的機箱中，同時在整個測試系統(tǒng)的軟件功能接口調(diào)用射頻系統(tǒng)的軟件界面就可以進行射頻芯片測試。測試中首先利用校準板對系統(tǒng)進行校準，

表1 射頻測試模塊功能指標

然后將被測芯片所在的測試板與自動化測試系統(tǒng)的測試頭轉(zhuǎn)接板相連，通過在軟件中設(shè)計配置測試系統(tǒng)硬件參數(shù)即可完成射頻芯片的自動化測試以及綜合性能芯片中射頻電路性能的測試。

圖8 國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)實物圖

5 結(jié)束語

本文主要介紹國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)射頻測試模塊的研究與設(shè)計。射頻測試模塊采用模塊化、可配置化的設(shè)計思路將系統(tǒng)分為矢量信號收發(fā)模塊和射頻前端模塊。射頻測試模塊設(shè)計中采用16個射頻端口來提高測試效率，并通過系統(tǒng)設(shè)計來完成噪聲系數(shù)測量、S參數(shù)測量、合成雙音信號等多個射頻參數(shù)測試。同時通過應(yīng)用軟件的設(shè)計來使整個系統(tǒng)的自動化測試更加方便和快捷。國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)射頻測試模塊測試頻率為50～12 GHz，最高測試帶

寬為1 GHz，基本滿足當前WIFI、藍牙、4G射頻芯片的測試需求，同時符合當前5G射頻芯片測試指標要求。該射頻芯片自動測試系統(tǒng)具有自主可控的知識產(chǎn)權(quán)，為國內(nèi)射頻集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到有效的推動作用。