測量RF功率放大器和手機(jī)的直流偏置電流

　　在移動(dòng)電話市場上，手機(jī)電池壽命是一項(xiàng)任何客戶都容易評(píng)估的技術(shù)指標(biāo)。不足的電池壽命會(huì)招致用戶的不滿。因此，在設(shè)計(jì)手機(jī)及其關(guān)鍵部件時(shí)，通過降低功耗來延長電池壽命是重要的設(shè)計(jì)考慮。

　　但目前趨勢卻是沿著相反的方向：移動(dòng)電話的功能在不斷增加。目前已包括互聯(lián)網(wǎng)接入，音頻、視頻，以及具有話音和數(shù)據(jù)的多模能力，這些功能都增加了電池消耗，縮短了運(yùn)行時(shí)間。為滿足市場要求，移動(dòng)電話設(shè)計(jì)師開發(fā)了支持眾多能力和多標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)，包括在一臺(tái)手機(jī)上支持GSM、CDΜA、Wi-Fi、HSDPA、WCDΜA等。功能不過增加使所需的驅(qū)動(dòng)功率也越大，即使一些功能不運(yùn)行也需要消耗功率。

　　在較早的移動(dòng)電話設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師為降低功耗在這些子系統(tǒng)上作了許多努力，使其運(yùn)行時(shí)的絕對功耗減到盡可能小的程度。雖然電池也在不斷改進(jìn)，但其卻跟不上發(fā)展要求。為使手機(jī)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(dá)到這些要求，除了在傳統(tǒng)領(lǐng)域盡可能挖掘潛力外，移動(dòng)電話設(shè)計(jì)師還必須盡可能地降低功耗。今天，移動(dòng)電話設(shè)計(jì)師已轉(zhuǎn)向可顯著降低功耗的動(dòng)態(tài)功耗使用方法。采用這項(xiàng)節(jié)省功率的新技術(shù)，手機(jī)中的子系統(tǒng)將按照需要開啟或關(guān)閉。

　　但這些子系統(tǒng)始終都與手機(jī)內(nèi)部電源線相連，即使在禁用時(shí)，也會(huì)泄漏功耗。為了支持眾多RF標(biāo)準(zhǔn)和用戶需要的功能，這些子系統(tǒng)數(shù)量還在不斷上升。雖然每個(gè)子系統(tǒng)在禁用時(shí)泄漏的功耗很小，但加在一起卻會(huì)從消耗電池相當(dāng)大的功率。現(xiàn)代手機(jī)為優(yōu)化每一子系統(tǒng)的性能和功耗，使用了20種不同電平的電壓調(diào)整器。而眾多的電平使問題變得更為嚴(yán)重。

　　在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中，工程師需要通過大量艱苦的工作對手機(jī)軟硬件作出改動(dòng)，以最小化電流泄露和優(yōu)化電池壽命，即使這種改動(dòng)通常都非常小。他們必須在實(shí)驗(yàn)室中精確評(píng)估電話的總消耗電流，通過獨(dú)立測量每一子系統(tǒng)開啟或關(guān)閉時(shí)的電流，了解其對設(shè)計(jì)總體方案的影響。

當(dāng)前流行的解決方案

　　雖然在測試中用來給手機(jī)上電的大多數(shù)電源都有內(nèi)置的電流測量能力，但這些測量結(jié)果也許不夠精確。如果電源不能進(jìn)行μA級(jí)的電流測量，ATE系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就會(huì)轉(zhuǎn)而選擇數(shù)字萬用表。但當(dāng)利用數(shù)字萬用表測量μA級(jí)電流時(shí)，電源通路就從電源經(jīng)過數(shù)字萬用表到達(dá)DUT。這會(huì)增加布線的復(fù)雜程度和噪聲。在需要并行測試多臺(tái)DUT時(shí)，使用數(shù)字萬用表意味著要增加多路開關(guān)，以及為等待開關(guān)穩(wěn)定和依次測量多臺(tái)DUT而增加測試時(shí)間。要提高系統(tǒng)吞吐率，可為每一臺(tái)DUT專配一臺(tái)數(shù)字萬用表，這自然也加大了成本和增加了復(fù)雜性。

　　測量這些動(dòng)態(tài)電流的另一種方法是采用只能由少數(shù)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(diào)整器，以及能夠測量很寬范圍電流的集成化數(shù)字電流測量系統(tǒng)。在測試時(shí)用該專用電源代替手機(jī)電池，電源就能測量在測試期間流入手機(jī)的電流，直接給出手機(jī)功耗和泄露的電流。移動(dòng)電話制造商在生產(chǎn)測試中用這類專用電源驗(yàn)證移動(dòng)電話是否能夠達(dá)到功率要求。這類專用電源也可在實(shí)驗(yàn)室中用來表征手機(jī)及其關(guān)鍵部件。

　　在移動(dòng)電話生產(chǎn)中，大多數(shù)制造商都會(huì)測量手機(jī)各種工作狀態(tài)，諸如發(fā)送、接收、播放和接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)的較大電流以及關(guān)機(jī)或待機(jī)時(shí)的小電流。大電流測量能夠保持ATE系統(tǒng)的快吞吐率，但測量小電流一般較慢，因?yàn)榇龣C(jī)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(yīng)注意手機(jī)是在高電流泄露(如發(fā)送脈沖期間)和低電流泄露(如待命時(shí))間切換。這就要求電源能如同手機(jī)的電池一樣，電源必須有很快的瞬態(tài)響應(yīng)能力以確保電壓穩(wěn)定。如果電源在瞬態(tài)變化時(shí)對手機(jī)供電電壓造成波動(dòng)，手機(jī)的低電池電壓探測電路就可能關(guān)斷手機(jī)。

　　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(jīng)校正的大分流電阻將會(huì)造成輸出電壓產(chǎn)生非常大的跌落，以及DUT旁路網(wǎng)絡(luò)中常見容性負(fù)載造成的不穩(wěn)定性。為此，這些電源必須用專用電路動(dòng)態(tài)來短路這些高阻值分流器，從而把電源的瞬態(tài)響應(yīng)改進(jìn)到可接受的程度。眾多的專用電源制造商都有各自的技術(shù)，其中許多技術(shù)受專利保護(hù)。

當(dāng)前解決方案的不足之處

　　在這類技術(shù)中，為解決穩(wěn)定性問題，往往會(huì)把一個(gè)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(wěn)定性問題，但卻會(huì)浪費(fèi)大量的測量時(shí)間。因?yàn)樵谛‰娏髁鬟^這些大阻值分流器時(shí)，大電阻器和大電容器的組合形成了高時(shí)間常數(shù)和更長的穩(wěn)定時(shí)間。

　　此外，這些技術(shù)還用MOSFET連接大電阻器，以在大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)短路電阻器和電容器。激勵(lì)這些FET會(huì)產(chǎn)生輸出電壓的不連續(xù)，這是難以克服的挑戰(zhàn)，并非所有廠家的產(chǎn)品都會(huì)取得成功。

　　多數(shù)的解決方案用這些技術(shù)為手機(jī)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(dòng)態(tài)測量范圍上，尚不能達(dá)到測量手機(jī)內(nèi)各種部件的要求。手機(jī)生產(chǎn)測試系統(tǒng)的電流測試，通常需要在100ms內(nèi)完成對30μA的測量精度。但這對于測試手機(jī)中的半導(dǎo)體器件來說則是太慢和太不精確了。半導(dǎo)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(jí)的測量精度和數(shù)十毫秒的測量速度。

低電流測量的專利技術(shù)

　　為更快和更精確地測量這些低電平電流，Agilent設(shè)計(jì)師清楚地認(rèn)識(shí)到僅靠發(fā)展上述技術(shù)是不可能達(dá)到最終用戶要求的?，F(xiàn)在有了基于Agilent專利技術(shù)的新的精確測量低電流方法。采用該專利技術(shù)的Agilent電源在高電流時(shí)有快的瞬態(tài)響應(yīng)，并能進(jìn)行快速和精確的低電平電流測量。這種電源能進(jìn)行更快的小電流測量，因?yàn)樗恍枰却齼?nèi)部大電容器充電和信號(hào)穩(wěn)定。能在幾毫秒內(nèi)完成μA級(jí)電流測量，并且只有不到100nA的誤差。對大于2A的電流，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間還不到50μs。