基于C#的功率放大器芯片电流监测系统

周守利,莫 皓,顾 磊,程元飞

(1.浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023；2.杭州萧山技师学院，浙江 杭州 311200；3.上饶师范学院，江西 上饶 334001)

微波无线通信技术具有通信过程稳定、通信容量大、建设速度快、成本低等优势[1]。这些优势使该技术广泛应用于军事领域。作为微波无线通信系统的重要组成部分，放大器芯片具有特别迫切的需求。按照国家军用标准GJB 548B即微电子器件试验方法和程序要求，军用微电子器件需要保证长时间工作后其性能仍然是可靠的。寿命试验时间应足够长，以保证其结果不具备早期失效的特征，期间还应进行定期观察，以监视失效率是否随时间有显著变化。为了在短期内获得正确结果，就必须加速试验条件来提供相应的失效概率，以便使该样本的失效分布能代表整体的潜在失效分布[2]。实时、准确的电流监测系统使得研究人员在寿命试验的过程中清楚地了解芯片性能。

如今自动化系统较多由LABVIEW或者VB语言编写。LABVIEW使用数据流方式编程，因而存在灵活性差的缺点，修改程序很麻烦[3]。VB不支持继承的编程特性，在大型的系统开发中会复写大量代码，不具备高效性。通常芯片的电性能测试硬件是探针台，通过压探针到芯片的PAD点上来获取试验数据[4]。但是探针台造价昂贵，并且无法精确地控制温度，故该方法常用于晶圆的测试上。针对以上不足，开发搭建功率放大器芯片寿命试验电流监测系统。系统软件利用C#编写，面向对象的编程方法和继承的特性大量减少代码；丰富的控件使人机交互简单。硬件方面，将芯片通过微组装技术装架到可伐合金的壳体中，利用加热和超声能量将金丝焊接到芯片上连接外部电路[5]，将电源通过脉冲板实现脉冲方式供电，将壳体放入高温箱内，保证实验温度的准确，避免了探针台等仪器的使用，大大减少成本。

1 芯片结构与待监测电流

待试验芯片为微波通信系统T/R组件中的功率放大器芯片，具有输出功率大、效率高、非线性失真小、散热性好的性能，接收发射端的匹配阻抗为50 Ω，图1为该芯片的原理图。

1,2,3,4—待测漏极电流；5—待测栅极电流。图1 功率放大芯片原理图Fig.1 The schematic diagram of power amplifier chips

T/R组件包括一个低躁放芯片主要用于接收并放大微弱信号[6]，一个多功能控制芯片主要用于将串行信号转换为并行信号和控制多功能芯片，一个多功能芯片用于控制信号的移相和衰减以及发射与接收转换，一个功放芯片主要用于放大信号。信号通过多功能芯片进行移相处理后传入功率放大器芯片，将信号进一步放大，使该信号的能量达到规定要求后输出。往往一个相控阵雷达系统就需要几十个或更多的T/R组件[7]。T/R组件中的各芯片连接示意图如图2所示。

图2 T/R组件各芯片连接示意图Fig.2 The image of chips connection in T/R component

在后续的可靠性寿命试验中主要针对功率放大器芯片的栅极偏置电流、漏极供电电流进行监测。栅极供电用于控制场效应管的导电通道，栅极电流是判断芯片是否会烧毁的重要指标。漏极供电为信号放大提供能量，可通过漏极电流判断芯片是否正常工作[8]。

2 硬件系统组成

2.1 系统整体展示

图3为硬件系统整体图。

图3 系统整体图Fig.3 The image of whole system

2.2 硬件系统连接

硬件系统主要包括由计算机、脉冲供电板、芯片夹具、直流电源、电源板、通用串行总线、通用接口总线、通用串行总线集线器、射频信号源及函数信号发生器等构成的主监测系统以及高温箱等环境设备。函数信号发生器模块与信号源模块相连，使信号源输出脉冲信号，该脉冲信号再通过功分器模块为多个芯片提供信号。并且函数信号发生器模块也与脉冲板模块相连，使得电源模块通过脉冲板后可实现脉冲供电。各模块组合成一个整体，构成一个寿命试验系统，图4(a，b)为单个寿命试验系统图。

图4 寿命试验系统图Fig.4 The image of life testing system

计算机担任系统的总指挥，通过通用接口总线与信号源模块、函数信号发生器模块相连，实现输入信号的设置，通过多条通用串行总线与多个直流电源模块相连，实现电流的实时监测。图4(c，d)为多个寿命试验系统连接图。计算机同时也存储与处理监测数据，将从电源读取的数据存储到计算机内，并将此数据通过图表形式显示。

系统选用KEYSIGHT厂商的N5173B作为信号源，该信号源可工作在9 kHz～40 GHz频率范围内，输出功率可达20 dBm。选用Agilent厂商的33220A(或33250A)函数信号发生器提供脉冲，该函数信号发生器可产生方波、脉冲波等多种波形，最高频率可达到20 MHz。

系统主要选用GwinStek公司的GPD-4303S可编程4 通道直流电源供电，该电源具有恒压输出模式，电压输出范围在0～30 V之间，满足系统需要[9]。

2.3 脉冲供电板与电源供电板设计

芯片的工作条件为栅源负偏压VG：-0.9～-0.7 V，漏源正偏压VD：+9 V(占空比10%，脉冲宽度120 μs)。图5为芯片工作条件波形图。为了达到该工作条件设计脉冲供电板，主要通过一颗脉冲芯片为电源芯片提供相应电平，实现脉冲供电。图6(a，c)为脉冲板设计图及电路原理图。

图5 芯片工作条件波形图Fig.5 The waveform of chip working conditions

图6 脉冲板及供电板图Fig.6 The image of pulse and power supply PCB

为了提高试验的效率，节约高温箱和电源等试验的资源，特设计电源供电板。该供电板将12 个芯片的漏极和栅极分别进行并联，借此可同时试验多个芯片。图6(b，d)就是供电板的设计图及原理图。

2.4 测试夹具及外围电路设计

为适应寿命试验高温环境，使用微组装技术将芯片装入测试夹具中，以此代替使用探针台的裸片测试方法。考虑到芯片的实际工作环境，该夹具需具备耐高温能力，故选用含镍29%，钴17%的硬玻璃铁基封接合金为材料。考虑金丝焊接间距等设计要求，夹具长22.6 mm，宽9.4 mm。图7为测试夹具图。将芯片上的栅极漏极供电点与夹具上的传输线通过金丝焊接相连，再由传输线穿过绝缘玻珠与外部电路相连，实现供电[10]。图8为测试夹具外围电路图。

图7 测试夹具图Fig.7 The image of test fixture

图8 测试夹具外围电路图Fig.8 The image of peripheral circuit

3 软件系统组成

3.1 软件运行流程

软件运行主要包括两个线程，主线程用于人机交互，让使用者可以选择是否开始监测。后台线程用于执行电流的监测。图9为软件运行流程图。

图9 软件运行流程图Fig.9 Flow chart of software operation

3.2 软件系统结构

电流监测系统将人工的电流检查提升为软件的自动监测，监测的准确度和实时性与软件的系统结构是密不可分的。系统主要由3 个部分逐级向下构成，包括使用界面、各类仪器驱动模块、VISA库以及.NET库。图10为软件系统结构图。

图10 软件系统结构图Fig.10 The image of current monitoring system structure

3.2.1 使用界面

使用界面是用户直接面对的界面，主要是为了人机交互的实现，包括仪器设置、数据显示、数据存储的交互等。图11为电流监测系统的使用界面窗口。

图11 使用界面窗口图Fig.11 The image of current monitoring system window

3.2.2 各类仪器驱动模块

电流监测系统包含各类仪器，例如电源、信号源、函数信号发生器等。不同类型仪器功能天差地别，故指令集常常大不相同，但相同类型不同型号的仪器功能相近，故往往存在部分相同的指令集。为减少代码的复写，使用面向对象的编程方法和C#继承的特性以及多态技术，将各类仪器封装成单独的库类文件，不同型号的设备则为继承这些库类的子类，后续再调用。

3.2.3 VISA库及.NET Framework库

VISA全称Virtual instrument software architecture，即虚拟仪器软件结构，该结构是由VXI plug&play联盟制定的I/O接口软件标准及其规范的总称。虚拟仪器软件结构提供了应用于仪器编程的标准I/O函数库，称为VISA库。VISA库是计算机内部的函数库，仪器和计算机之间的通信，包括向仪器发送指令和读取数据等，都依靠VISA库提供的标准软件通信接口来实现[11]。

.NET Framework库是一个由Microsoft .NET Framework SDK中包含的类、接口和值类型组成的库。该库提供对系统功能的访问，是建立.NET Framework应用程序、组件和控件的基础[12]。例如.NET Framework类库下的System.Windows.Forms命名空间包含用于创建基于Windows的应用程序类，需要实现一种特定的功能只要声明相应的命名空间即可。

3.3 软件系统编写

3.3.1 用户使用界面编写

使用界面的编写利用较多的C#控件例如Lable和Timer等，通过可视化编程开发者可将控件拖拽到窗口里，调整控件的参数，例如大小、位置等。用户可以使用这些控件来调整数据存储路径，定时查询时间间隔等。同时使用界面还包括Button和TextBox等控件，由开发者通过动态生成的方式添加到窗口中，这些控件将通过判断接入电源的数量来相应生成。用户将通过这些控件来设置仪器的参数以及控制仪器的输入输出。

3.3.2 仪器类库的编写

在仪器的类库编写中运用C#的继承特性，用少量代码实现功能，并可由其他项目调用。每种仪器类库都包含子父类继承关系，图12为各仪器类图。

图12 各仪器类图Fig.12 The image of instruments class

电源类仪器类库将power作为父类，该父类作为一个抽象类并没有完全实现所有型号电源设备的每一个功能，而是将通用功能写入方法之中，例如与计算机连接的建立和断开buildio()/closeio()，指令的发送与数据的回读sengmessage()/readmessage()。继承了父类的子类GPD_4303S，GPD_3303D，E3631A等则完全实现特定型号电源的所有功能，包括电压与限流的设置，输出的开启与关闭，电压与电流数据的回读等。这些不同型号的电源虽然有相同的方法名，但方法内部则需要根据相应型号的仪器指令集编写。信号源和函数信号发生器在类库的编写上与电源相似。图13为电源类仪器类图。程序将用户在控件中传入的仪器地址作为buildio()方法的参数使得仪器与计算机相连，使用Iset()/Vset()方法设置电源的电压值以及限流值，使用Itrue()/Vtrue()方法回读电流与电压数据。最后使用closeio()方法断开计算机与仪器的连接，将占用的资源释放。

3.4 各语言对比

在仪器自动化领域内最常用的软件编写语言是VB，LABVIEW，C#。VB语言是一种面向对象的编程语言，但是又不包含继承的编程特性，往往要复写大量代码，开发效率低[13]，并且VB不支持原生多线程，对于异常的处理不完善也是重要的缺点。LABVIEW采用可视化的编程方法，编程过程中将虚拟仪器进行拖拽组合，采用数据流的编程方式，缺点在于这种编程方式导致灵活性较差，不利于深度开发，当程序出现问题时不便于修改。

本系统使用C#作为软件的编写语言是因为C#是最适合.NET开发的语言，可以说C#是完全为.NET Framework设计的，是移植到其他操作系统上的.NET版本中主要使用的语言。其他语言例如VB在移植到其他操作系统上的.NET版本时将不能完全支持.NET代码库的某些功能，至少需要不常见的语法[14]。C#的继承特性可以将方法、变量等由父类继承到子类，可以减少代码的复写，提高开发效率。该语言的多态技术使得父类引用变量可以指向子类对象，当有子父类关系时在使用多态后的父类引用变量调用方法时会调用子类重写后的方法，多态技术使得程序更加高效[15]。利用C#的相应类库可以轻松地使用数据库，使监控数据存储更简单[16]。

4 监测系统评估

以稳态寿命试验中的2 000 h寿命试验为例，对电流监测系统进行使用评估。GJB 548B规定军用微电子器件需经过寿命试验，并满足该标准的可靠性要求。高温寿命试验时间与温度的关系可通过阿伦尼斯方程得出，其计算式为

式中：Tnomal为室温绝对温度；Tstress为高温下的绝对温度；Ea为失效反应的活化能；k为玻尔兹曼常数；Timefact为设计实际使用时间；Timetest为寿命试验所需时间[17-18]。

选取两种试验进行比较，试验条件：温度145 ℃，栅极-0.9 V供电，漏极+9 V脉冲供电。图14，15分别为20 组系统自动记录和人工手动记录的漏极及栅极电流对比。可以发现芯片漏极在脉冲供电的情况下电流呈现高低起伏的变化，并且系统数据与人工数据的变化趋势一致，变化的最大值与最小值的数值接近。由于仪器显示位数有限，故人工记录的栅极电流数据以1 mA为间距跳变，而系统记录数据则在一个范围内变化，但两者的变化范围均在2 mA以内，符合实际情况。通过数据的对比可以发现监测系统记录的数据准确并且及时，人工记录一次数据大约需要1 min，监测系统则只需要40～60 ms，数据越多监测系统的优越性将会越明显。

图15 第二种电流记录结果对比Fig.15 The comparison of second group data

5 结 论

基于C#的功率放大器芯片电流监测系统，针对自主研发的功率放大器芯片开发设计。为了解决高温条件下的电流监测需求，利用金丝焊接技术及外围电路设计代替了探针台测试方案。软件系统综合了面向对象编程、动态界面编程、虚拟仪器软件结构和串口通信等技术，实现了仪器的任意设置、多台仪器同时控制、监测数据自动存储、实时显示以及异常报警等功能。经验证系统满足及时性好，准确性高，操作简单的设计需求，很大程度上减少了人工作业，通过1 000 h或2 000 h的试验就能够验证10～20 年期间使用的可靠性，提高了试验的效率。