一種評估lna源端的tvs負載效應特性的測試分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明通過對低噪聲放大器（LNA，LowNoiseAmplifier)電路的測試分析，提供 一種評估LNA源端的TVS負載效應特性的測試分析方法，為工程中解決LNA的靜電放電問 題提供一種新的思路。屬于電磁兼容領域。
【背景技術】
[0002] 隨著電子產品向高速微型化發展，電力電子器件中存在的靜電放電問題已經成為 電子設備及系統的嚴重威脅。電子設備的靜電放電抗擾度試驗也作為電子設備電磁兼容性 測試的一項重要內容被列入國家標準中，GB/T17626. 2-2006《電磁兼容試驗和測量技術靜 電放電抗擾度試驗》就是針對靜電放電的國家標準。
[0003] 在射頻領域，ESD(Electro-Static Discharge)的瀉放問題貫穿著產品設計的始 終。在射頻應用頻率上，ESD保護器件微弱的負載效應會對射頻性能有明顯的影響。具體表 現為輸入阻抗的變化。射頻工程師在芯片設計時往往會在片內增加獨立的ESD保護電路。 而與片外端口的聯合保護將會對ESD保護的整體性能進行提升。并且在工程上ESD問題的 解決中，進行片外端口的防護是必不可少的途徑。
[0004] 靜態抑制二極管（TVS)是一種常見的ESD片外保護器件。在ESD電路的設計中和 產品ESD問題的解決中扮演重要角色。按照以往工程應用，TVS已成為高速半導體電路廣 泛采用的技術。如果應用得當，TVS二極管將限制跨在被保護器件上的電壓剛好高過額定 工作電壓，但是卻遠低于破壞閾值電壓。是電子設備端口防護方面最佳的選擇。LNA通常作 為射頻接收機的第一級，極易受到ESD電流的破壞。如果用TVS進行端口保護，必須要考慮 TVS的負載效應所帶來的影響。

【發明內容】

[0005] 本發明旨在提供一種評估LNA源端的TVS負載效應特性的測試分析方法，通過本 發明的測試和分析方法，可以快速、有效的對LNA源端的TVS對其匹配網絡的負載效應進行 評估判斷，并以此為基礎進行阻抗補償，以消除TVS負載的影響。
[0006] 本發明采用的技術方案如下：
[0007] 一種評估LNA源端的TVS負載效應特性的測試分析方法，具體步驟如下：
[0008] 第一步，運用矢量網絡分析儀對低噪聲放大器進行檢測，確定低噪聲放大器的匹 配網絡類型和參數大小；
[0009] 第二步，在矢量網絡分析儀的測試源端加上TVS管，測量低噪聲放大器工作頻段 的偏移，確定新的最大增益點；
[0010] 第三步，在步驟一得到的匹配網絡類型和大小的基礎上，利用新的最大增益點，在 史密斯阻抗圓中重新確定源端的等效阻抗，從而估算TVS負載的特性和大小；
[0011] 第四步，根據得到的TVS負載的特性和大小，利用諧振消除法和諧振隔離法對TVS 進行分離；
[0012] 第五步：檢驗補償后的低噪聲放大器的性能和在ESD沖擊下的魯棒性。
[0013] 步驟一中，檢測目標是低噪聲放大器的雙端口網絡的正向傳輸系數和源端的反射 系數，在低噪聲放大器的工作頻點上獲得平滑的傳輸增益和最小的反射；如果已知低噪聲 放大器的電氣參數圖，可以直接得知匹配網絡的類型和參數；若沒有參數大小，可根據低噪 聲放大器的結構判斷其匹配網絡類型，再根據已知的工作頻段并查閱功放器件手冊中的Sn 參數，推算源端的反射系數幅值和相位大小，在史密斯圖中表示出源端等效阻抗，推算匹配 網絡的參數大小。
[0014] 步驟四中，利用諧振消除法是通過并聯電容或電感與TVS負載組成平行諧振網 絡。
[0015] 進一步地，步驟四中，利用諧振隔離法是在TVS負載路徑上采用諧振器進行隔離。
[0016] 隨著集成電路的體積越來越小，密度越來越高，芯片面積也越來越寶貴。因此，在 ESD事件的處理中，LNA的片外保護設計顯得尤為重要。本發明的分析方法能簡易測試和評 估運用TVS進行ESD防護中，其負載效應的特性，并在此基礎上提供有效的方法解決TVS對 LNA的負面影響。
【附圖說明】
[0017] 圖1為TVS在LNA中的實驗測試示意圖，1-電源，2-VNA，3-ESD發生器，4-50D同 軸電纜，5-高速示波器，6-50DSMA接口，7-LNA實驗PCB板；
[0018] 圖2為典型的LNA結構與反射系數；
[0019] 圖3為（a)TVS負載的諧振消除法與（b)阻抗隔離法；
[0020] 圖4為LNA實物圖；
[0021] 圖5為并聯TVS前后的LNA工作特性對比，（a)沒有TVS保護的S21，（b)沒有TVS 保護的Sn，（c)加入TVS保護后的S21，（d)加入TVS保護后的Sn;
[0022] 圖6為（a)器件手冊中sc3356型晶體管的S參數和（b)Smith圖中的分布；
[0023] 圖7為Smith圓圖的分析；
[0024] 圖8為輸入網絡的阻抗值參考；
[0025] 圖9為并聯TVS后的LNA輸入網絡導納值參考；
[0026] 圖10為阻抗諧振消除后LNA增益點的回歸，（a)諧振消除后的S21參數，（b)諧振 消除后的Sn參數；
[0027] 圖11為阻抗隔離后LNA增益點的回歸，（a)阻抗隔離后的S21參數，（b)阻抗隔離 后的Sn參數；
[0028] 圖12為（a)諧振阻抗消除法與（b)阻抗隔離法在ESD沖擊下的實驗示意圖；
[0029] 圖13為（a)阻抗諧振消除法與（b)阻抗隔離法在ESD沖擊下的實驗結果（10V， 50ns/div)〇
【具體實施方式】
[0030] 本發明利用VNA測試源端加上TVS后LNA工作頻段的偏移，確定新的最大增益點。 利用新的最大增益點和Smith阻抗圓推算源端等效阻抗，從而估算TVS負載的特性和大小。
[0031] 對于步驟一：如圖1，對矢量網絡分析儀（VNA)進行校準。以SMA接口的LNA為例， 按圖1方法對放大器性能進行測試。LNA可以是獨立或非獨立模塊，不同的接口，根據實際 情況選擇測量部件。若接口為其他，更換測試線纜。
[0032]測量目標是LNA的S21和Sn參數。S21反映雙端口網絡的正向傳輸系數。Sn反映 源端的反射系數。在LNA的工作頻點會獲得上平滑的傳輸增益和最小的反射。示波器的作 用是測試ESD沖擊下TVS的瀉放能力。
[0033] 對于步驟二：如果已知LNA的電氣參數圖，可以直接得知LNA匹配網絡的類型和參 數。若沒有參數大小，可根據LNA結構判斷其匹配網絡類型（L型，31型等），再根據已知的 工作頻段并查閱功放器件的手冊進行推算。
[0034] LNA的阻抗匹配是指源端向負載傳輸最大功率，并盡可能獲取最小噪聲。典型的 LNA結構如圖2所示。放大器的結構分為輸入網絡，晶體管或1C，輸出網絡三部分。r是反 射系數。其中：
[0035] 1) rs，rL是源端/負載端的反射系數。
[0036] 2)rin，r_是晶體管（ic)輸入端/輸出端的反射系數。
[0037] 根據傳輸線理論知識，輸入網絡的功率增益Gs可表示為：
【主權項】
1. 一種評估LM源端的TVS負載效應特性的測試分析方法，其特征在于，具體步驟如 下： 第一步，運用矢量網絡分析儀對低噪聲放大器進行檢測，確定低噪聲放大器的匹配網 絡類型和參數大小； 第二步，在矢量網絡分析儀的測試源端加上TVS管，測量低噪聲放大器工作頻段的偏 移，確定新的最大增益點； 第三步，在步驟一得到的匹配網絡類型和大小的基礎上，利用新的最大增益點，在史密 斯阻抗圓中重新確定源端的等效阻抗，從而估算TVS負載的特性和大小； 第四步，根據得到的TVS負載的特性和大小，利用諧振消除法和諧振隔離法對TVS進行 分離； 第五步：檢驗補償后的低噪聲放大器的性能和在ESD沖擊下的魯棒性。
2. 根據權利要求1所述的一種評估LNA源端的TVS負載效應特性的測試分析方法，其 特征在于，步驟一中，檢測的目標是低噪聲放大器的雙端口網絡的正向傳輸系數和源端的 反射系數，在低噪聲放大器的工作頻點上獲得平滑的傳輸增益和最小的反射；如果已知低 噪聲放大器的電氣參數圖，可以直接得知匹配網絡的類型和參數；若沒有參數大小，可根據 低噪聲放大器的結構判斷其匹配網絡類型，再根據已知的工作頻段并查閱功放器件手冊中 的S 11參數，推算源端的反射系數幅值和相位大小，在史密斯圖中表示出源端等效阻抗，推 算匹配網絡的參數大小。
3. 根據權利要求1或2所述的一種評估LNA源端的TVS負載效應特性的測試分析方 法，其特征在于，步驟四中，利用諧振消除法是通過并聯電容或電感與TVS負載組成平行諧 振網絡。
4. 根據權利要求1或2所述的一種評估LNA源端的TVS負載效應特性的測試分析方 法，其特征在于，步驟四中，利用諧振隔離法是在TVS負載路徑上采用諧振器進行隔離。
【專利摘要】本發明公開了一種評估LNA源端的TVS負載效應特性的測試分析方法。具體步驟包括：(1)運用矢量網絡分析儀對LNA進行檢測，確定LNA的匹配網絡類型和參數大小；(2)在矢量網絡分析儀的測試源端加上TVS管，測量低噪聲放大器工作頻段的偏移，確定新的最大增益點；(3)利用新的最大增益點，在史密斯阻抗圓中重新確定源端的等效阻抗，從而估算TVS負載的特性和大小；(4)根據得到的TVS負載的特性和大小，利用諧振消除法和諧振隔離法對TVS進行分離；(5)檢驗補償后的LNA的性能和在ESD沖擊下的魯棒性。本發明的分析方法能簡易測試和評估運用TVS進行ESD防護中，其負載效應的特性，并在此基礎上提供有效的方法解決TVS對LNA的負面影響。
【IPC分類】G01R31-28, G01R31-00
【公開號】CN104849578
【申請號】CN201510089982
【發明人】趙陽, 張丹寧, 童瑞婷, 張楊, 吳茜, 耿路
【申請人】南京師范大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年2月27日