功放芯片測試系統安全性設計與實現*

丁志釗 單梅林 王盤偉 / 中電科儀器儀表有限公司；中國電子科技集團公司第四十一研究所

0 引言

功放芯片的主要性能指標包括增益、1 dB壓縮點、群延時、AM/PM轉換雜散、噪聲系數、飽和輸出功率、噪聲功率密度和諧波抑制等[1-2]。

目前，從公開的國內外資料來看，無論是商用和工業級功放芯片測試，還是宇航級功放芯片測試，基本都是采用信號發生器、矢量網絡分析儀、頻譜分析儀和噪聲儀等通用測試儀器，配合測試夾具和狀態控制器，以衰減器、耦合器、帶阻濾波器和開關網絡等實現大功率輸出信號調理和測試通道切換，從而最終實現功放芯片不同性能指標的測試[3-4]。需要說明的是，由于關注最終輸出信號的信噪比，需要在芯片層級將噪聲系數控制在10 dB左右，因此，本系統也將噪聲系數列入了測試項目。

綜合已有文獻資料來看，目前對功放芯片測試基本都較為關注性能指標，對于測試安全性則提及不多，只是個別論文中提及了電源監控和基于性能指標異常情況下的測試中止保護[5-6]。

其實，功放芯片測試不僅僅是性能指標的測試過程，也必須綜合考慮被測芯片自身、測試系統和測試數據等多方面的測試安全性問題。沒有安全，測試效率再高也沒有意義。

1 測試安全性問題由來

功放芯片往往要多路供電電源，并且需要按照順序上電，并逆序斷電。在發生供電異常的情況下，有可能會損害被測功放芯片。

在測試過程中，由于功放輸出功率較大，測試儀器無法直接進行測試，這就涉及不同大功率測試附件的連接和更換。除噪聲功率密度需要連接帶阻濾波器外，其他指標測試需要連接大功率衰減器或定向耦合器。這就有可能發生錯接或漏接，從而因功率過載燒毀測試系統。另外，由于質量管控和問題歸零等需要，功放芯片設計制造和使用單位對于測試數據的完整性尤其重視。一旦發生突發中斷，如何保存好已有數據，并且繼續測試應不覆蓋已有數據，這也是需要重點解決的安全性問題之一。

概括來說，所有功放芯片性能指標測試涉及與供電次序性和測試突發中斷引起的安全性問題；而輸出功率、寄生調制參數、增益、AM/PM變化系數、群時延、噪聲系數、諧波、功率回退等參數測試可能引發錯接或漏接大功率衰減器或定向耦合器而導致系統功率過載問題；噪聲功率密度參數測試可能引發錯接或漏接帶阻濾波器而導致系統功率過載問題。

2 目標

根據上述安全性隱患，本文在測試安全性實現方面要達到以下目標：

1）錯接或漏接大功率測試附件不會燒毀測試系統，并自動中止測試并告警。

2）確保按照順序上電，并在異常斷電的情況下，可以按照要求的順序切斷其他電源。

3）不會因測試突發中斷而導致數據覆蓋或丟失。

3 關鍵技術實現思路及方法

3.1 基于時序控制和多線程監控相結合的電源防護技術實現思路及方法

目前，對于涉及電源方面的保護，一般是采用多線程的方式監控電壓、電流等性能指標，一旦發生異常，則依次切斷相關電源輸出，這在一定程度上解決了此類安全性問題。

當然，單單依靠監控方式也存在一定問題。在測試過程中，監控線程和測試線程有可能出現同時訪問電源情況，這將引起資源訪問沖突。為了確保安全訪問共有資源，一般采用線程鎖資源保護機制。在該機制中，將資源訪問權限和操作系統中的線程鎖對象進行關聯實現資源保護。在特定的時間內，操作系統只允許一個線程獲得特定的線程鎖對象。若程序中某一線程占有線程鎖較長時間，可能導致其他欲獲得線程鎖的線程等待較長時間。這種多線程方法雖然能使測試和安全防護程序順利運行，但是，當出現資源訪問沖突時需要等待，這就影響了安全防護的實時性[7-8]。

為了提高電源防護的實時性和可靠性，采用了基于時序控制和多線程監控相結合的電源防護技術。通過研制電源時序控制器這一硬件資源彌補實時性不足的弱點，并配合多線程監控方式，從軟硬兩個方式確保供電方面的安全。

1）基于時序控制的電源防護技術

以某型芯片為例，它需要±3.3 V和+5 V三路電源。上電順序為-3.3 V、+3.3 V、+5V，斷電順序則正好相反。電源時序控制器主要實現電源上電順序的二次調理和異常斷電的保護功能，電源時序控制器原理圖如圖1所示。

上電時，-3.3 V電源進入電源時序控制器后，首先經過穩壓電路調理，在進入控制電路的同時也輸出至被測芯片，這樣也能防止負電源過高損壞被測件。-3.3 V電源經限幅積分放大電路、控制電路1后成為+3.3 V電源的控制信號，此時已經輸入至繼電器輸入端的+3.3 V電源方能輸出。而在-3.3 V、+3.3 V電源的共同作用下，經比例放大電路、控制電路2后成為+5V電源的控制信號，此時已經輸入至繼電器輸入端的+5 V電源方能輸出。通過上述調理，確保按照-3.3 V、+3.3 V、+5 V順序上電，前級電源沒有輸出，則后級電源也無法輸出。

圖1 電源時序控制器原理

而在異常情況下，若-3.3 V電源故障，由于限幅積分放大電路的延時作用，+3.3 V電源遲于+5 V電源切斷，從而滿足+5 V電源應先關斷的要求。又若+3.3 V電源故障，控制電路2產生關閉繼電器的控制信號，保證實現+5 V電源自動關閉。

上述控制過程無需軟件參與，只是依靠硬件電路即可實現，實時性較高。

2）基于線程鎖的電源防護技術

在軟件方面，監控線程配合安全防護線程實現被測芯片異常狀況的斷電保護。自程控電源輸出之時，主控計算機的監控線程和測試線程就已經啟動。一方面測試線程進行性能指標測試，另一方面監控線程不斷采集被測芯片的電壓、電流等狀態信息。一旦發現狀態信息參數超過設定的門限，則會啟動安全防護線程。安全防護線程申請測試線程釋放直流程控電源資源，資源釋放完畢后，安全防護線程就立即按照次序切斷所有電源（異常中斷記錄流程圖如圖2所示）[9]。

某種意義上講，實現上電、斷電軟硬件監控和保護不但是測試的剛性需求，而且也是測試系統內在軟實力的體現。

3.2 基于小功率信號的測試通道連通性驗證技術實現思路及方法

在正常情況下，被測功放芯片以及測試附件的技術指標是已知的，所以，當輸入功率一定時，最終輸出信號指標的合理范圍是可以推算的。也就是說，可以通過測量輸出信號的指標判定調理部件是否連接以及連接是否正確，當然要確保即使錯接或漏接測試附件也不至于測試系統過載，這就要利用基于小功率信號的測試通道連通性驗證技術。

圖2 異常中斷記錄流程

指標測試開始之前，在當前通道的輸入端灌入基準驗證信號，基準驗證信號需要確定功率和頻率兩個物理量。功率量確定原則為不超過系統過載閾值，并留有一定余量。另外，需要注意的是，系統中不同測試儀器的承受功率閾值并不一致。

式中：Pt—— 基準驗證信號功率，dBm；

PH—— 測試系統中測試儀器承受功率閾值，dBm；

ILOUT—— 輸出測試通道插入損耗，dB；

G—— 被測芯片增益，dB；

ILIN—— 輸入測試通道插入損耗，dB

考慮到在工作頻率范圍內，一般頻率越低，承受功率越大，因此，頻率值可以選擇工作頻率的下限值。

啟動通道連通性驗證后，系統自動根據測試結果給出相應的提示和后續處理。若正常，則開始性能指標測試進程。若測試值嚴重偏大，說明測試通道衰減過小。根據測試項目，軟件會提示“請檢查測試通道，正確連接衰減器或濾波器”，并中止測試，同時進行聲光電等不同形式的告警。若測試值嚴重偏小，說明測試通道衰減過大。根據測試項目，軟件會提示“請檢查測試通道，正確連接衰減器或濾波器”，并中止測試，同時進行聲光電等不同形式的告警。

直至通過通道連通性驗證后，系統方可啟動正式測試。上述驗證過程基于自動方式完成，無需人工干預，對測試效率影響也較小。

3.3 基于斷點記錄的測試突發中斷恢復和數據保護技術實現思路及方法

在發生測試突發中斷時，若要保證測試數據安全，需要保存已有測試數據，并記錄中斷原因及位置，進而能夠定位問題和解決問題，并保證下次測試能夠從中斷位置繼續測試。既不重復測試，又不遺漏測試。

按照當前的處理方式，伴隨每一個測試項目產生的測試數據都實時存入數據庫，因此，已有測試數據其實不會丟失，需要重點解決異常中斷原因、位置記錄和繼續測試問題。

1）異常中斷原因記錄

記錄中斷原因進而排除測試過程中的問題，這是繼續測試和獲取測試數據的基礎。測試過程中的異常中斷主要分為兩種：一種是可以預見的，即前文提到的狀態監控線程檢測異常而引發的中斷，此時監控線程會記錄異常數據并喚醒安全防護進程。另一種是不可預見的，即由于測試軟件執行失敗而引起的測試中斷。對于第二種情況，通過軟件監控線程和異常記錄線程實現異常中斷的記錄，其流程圖如圖3 所示。

圖3 異常中斷記錄流程

因執行異常中斷后，軟件將彈出對話框，并提示錯誤原因與出處。此時，異常記錄線程檢測到測試線程是因執行失敗而中斷就會獲取當前對話框的句柄，并通過截圖處理保存下來，最終實現異常中斷原因和位置記錄。

2）繼續測試

記錄中斷位置的目的是繼續測試時能夠從已有測試數據的下一項測試開始執行。為了實現這一目標，測試序列每次將測試數據保存到數據庫后，都會立即將當前測試序列的執行位置信息保存為永久變量，相當于保存到平臺軟件的配置文件中。這樣無論是手動暫停，還是異常中斷，下次測試時都可以實現從已有測試數據的下一個測試項目開始測試。

待故障排除后重啟測試，中斷位置信息作為測試序列執行的前置條件，即序列從頭開始運行，如果當前測試項目與保存的中斷位置、芯片型號、編號、測試項目、通道等信息不匹配則跳過，直到找到正確的位置。

通過上述設計，測試軟件具備很強的容錯能力和故障可恢復能力，兼顧保證了測試連續性和數據安全性。

4 安全性驗證及效果

以某型功放芯片為測試驗證對象，搭建了完整的測試驗證系統，系統主要設備清單如表1 所示。

表1 系統主要設備

同時，本文也進行了相關測試安全性性能驗證，實現效果如下所示：

1）電源安全性驗證

（1）不加 -3.3 V 電源，+3.3 V 和 +5 V 電源無法輸出至被測芯片；

（2）-3.3 V 和 +3.3 V 任一路電源不加，+5 V 電源無法輸出至被測芯片；

（3）斷開+3.3V 電源，+5 V 自動斷開，響應時間為毫秒級；

（4）斷開-3.3 V 電源，利用示波器測試可知+5 V 電源早于 +3.3 V 電源斷開。

2）測試通道連通性驗證

（1）當測試功率等性能指標時，不連接衰減器或連接錯誤衰減量衰減器，系統軟件提示“請正確連接衰減器”，并中止測試。

（2）當測試噪聲功率密度等性能指標時，不連接濾波器或連接錯誤插入損耗值的濾波器，系統軟件提示“請正確連接濾波器”，并中止測試。

3）測試突發中斷恢復和測試數據安全性驗證

（1）關斷某一測試儀器，引起測試突發中斷，再將儀器開機，可以通過“繼續測試”軟件按鈕重新啟動測試；

（2）查看異常中斷前的測試數據，重新啟動測試后，數據未丟失，也未被覆蓋。

5 結語

試驗驗證表明：基于小功率信號的測試通道連通性驗證、基于時序控制和多線程監控的電源防護、基于斷點記錄的測試突發中斷恢復和數據保護等技術很好地解決了供電、測試系統和測試數據等方面的安全性問題，也具有一定推廣應用價值，可以為其他類似測試系統提供參考和借鑒。測試安全性問題不可回避，并應當著力加強相關新技術、新方法研究與實現，在更準、更快的前提下力求實現更安全的測試。