一种评估lna源端的tvs负载效应特性的测试分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明通过对低噪声放大器（LNA，LowNoiseAmplifier)电路的测试分析，提供 一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，为工程中解决LNA的静电放电问 题提供一种新的思路。属于电磁兼容领域。
【背景技术】
[0002] 随着电子产品向高速微型化发展，电力电子器件中存在的静电放电问题已经成为 电子设备及系统的严重威胁。电子设备的静电放电抗扰度试验也作为电子设备电磁兼容性 测试的一项重要内容被列入国家标准中，GB/T17626. 2-2006《电磁兼容试验和测量技术静 电放电抗扰度试验》就是针对静电放电的国家标准。
[0003] 在射频领域，ESD(Electro-Static Discharge)的泻放问题贯穿着产品设计的始 终。在射频应用频率上，ESD保护器件微弱的负载效应会对射频性能有明显的影响。具体表 现为输入阻抗的变化。射频工程师在芯片设计时往往会在片内增加独立的ESD保护电路。 而与片外端口的联合保护将会对ESD保护的整体性能进行提升。并且在工程上ESD问题的 解决中，进行片外端口的防护是必不可少的途径。
[0004] 静态抑制二极管（TVS)是一种常见的ESD片外保护器件。在ESD电路的设计中和 产品ESD问题的解决中扮演重要角色。按照以往工程应用，TVS已成为高速半导体电路广 泛采用的技术。如果应用得当，TVS二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定 工作电压，但是却远低于破坏阈值电压。是电子设备端口防护方面最佳的选择。LNA通常作 为射频接收机的第一级，极易受到ESD电流的破坏。如果用TVS进行端口保护，必须要考虑 TVS的负载效应所带来的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在提供一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，通过本 发明的测试和分析方法，可以快速、有效的对LNA源端的TVS对其匹配网络的负载效应进行 评估判断，并以此为基础进行阻抗补偿，以消除TVS负载的影响。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，具体步骤如下：
[0008] 第一步，运用矢量网络分析仪对低噪声放大器进行检测，确定低噪声放大器的匹 配网络类型和参数大小；
[0009] 第二步，在矢量网络分析仪的测试源端加上TVS管，测量低噪声放大器工作频段 的偏移，确定新的最大增益点；
[0010] 第三步，在步骤一得到的匹配网络类型和大小的基础上，利用新的最大增益点，在 史密斯阻抗圆中重新确定源端的等效阻抗，从而估算TVS负载的特性和大小；
[0011] 第四步，根据得到的TVS负载的特性和大小，利用谐振消除法和谐振隔离法对TVS 进行分离；
[0012] 第五步：检验补偿后的低噪声放大器的性能和在ESD冲击下的鲁棒性。
[0013] 步骤一中，检测目标是低噪声放大器的双端口网络的正向传输系数和源端的反射 系数，在低噪声放大器的工作频点上获得平滑的传输增益和最小的反射；如果已知低噪声 放大器的电气参数图，可以直接得知匹配网络的类型和参数；若没有参数大小，可根据低噪 声放大器的结构判断其匹配网络类型，再根据已知的工作频段并查阅功放器件手册中的Sn 参数，推算源端的反射系数幅值和相位大小，在史密斯图中表示出源端等效阻抗，推算匹配 网络的参数大小。
[0014] 步骤四中，利用谐振消除法是通过并联电容或电感与TVS负载组成平行谐振网 络。
[0015] 进一步地，步骤四中，利用谐振隔离法是在TVS负载路径上采用谐振器进行隔离。
[0016] 随着集成电路的体积越来越小，密度越来越高，芯片面积也越来越宝贵。因此，在 ESD事件的处理中，LNA的片外保护设计显得尤为重要。本发明的分析方法能简易测试和评 估运用TVS进行ESD防护中，其负载效应的特性，并在此基础上提供有效的方法解决TVS对 LNA的负面影响。
【附图说明】
[0017] 图1为TVS在LNA中的实验测试示意图，1-电源，2-VNA，3-ESD发生器，4-50D同 轴电缆，5-高速示波器，6-50DSMA接口，7-LNA实验PCB板；
[0018] 图2为典型的LNA结构与反射系数；
[0019] 图3为（a)TVS负载的谐振消除法与（b)阻抗隔离法；
[0020] 图4为LNA实物图；
[0021] 图5为并联TVS前后的LNA工作特性对比，（a)没有TVS保护的S21，（b)没有TVS 保护的Sn，（c)加入TVS保护后的S21，（d)加入TVS保护后的Sn;
[0022] 图6为（a)器件手册中sc3356型晶体管的S参数和（b)Smith图中的分布；
[0023] 图7为Smith圆图的分析；
[0024] 图8为输入网络的阻抗值参考；
[0025] 图9为并联TVS后的LNA输入网络导纳值参考；
[0026] 图10为阻抗谐振消除后LNA增益点的回归，（a)谐振消除后的S21参数，（b)谐振 消除后的Sn参数；
[0027] 图11为阻抗隔离后LNA增益点的回归，（a)阻抗隔离后的S21参数，（b)阻抗隔离 后的Sn参数；
[0028] 图12为（a)谐振阻抗消除法与（b)阻抗隔离法在ESD冲击下的实验示意图；
[0029] 图13为（a)阻抗谐振消除法与（b)阻抗隔离法在ESD冲击下的实验结果（10V， 50ns/div)〇
【具体实施方式】
[0030] 本发明利用VNA测试源端加上TVS后LNA工作频段的偏移，确定新的最大增益点。 利用新的最大增益点和Smith阻抗圆推算源端等效阻抗，从而估算TVS负载的特性和大小。
[0031] 对于步骤一：如图1，对矢量网络分析仪（VNA)进行校准。以SMA接口的LNA为例， 按图1方法对放大器性能进行测试。LNA可以是独立或非独立模块，不同的接口，根据实际 情况选择测量部件。若接口为其他，更换测试线缆。
[0032]测量目标是LNA的S21和Sn参数。S21反映双端口网络的正向传输系数。Sn反映 源端的反射系数。在LNA的工作频点会获得上平滑的传输增益和最小的反射。示波器的作 用是测试ESD冲击下TVS的泻放能力。
[0033] 对于步骤二：如果已知LNA的电气参数图，可以直接得知LNA匹配网络的类型和参 数。若没有参数大小，可根据LNA结构判断其匹配网络类型（L型，31型等），再根据已知的 工作频段并查阅功放器件的手册进行推算。
[0034] LNA的阻抗匹配是指源端向负载传输最大功率，并尽可能获取最小噪声。典型的 LNA结构如图2所示。放大器的结构分为输入网络，晶体管或1C，输出网络三部分。r是反 射系数。其中：
[0035] 1) rs，rL是源端/负载端的反射系数。
[0036] 2)rin，r_是晶体管（ic)输入端/输出端的反射系数。
[0037] 根据传输线理论知识，输入网络的功率增益Gs可表示为：
【主权项】
1. 一种评估LM源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，其特征在于，具体步骤如 下： 第一步，运用矢量网络分析仪对低噪声放大器进行检测，确定低噪声放大器的匹配网 络类型和参数大小； 第二步，在矢量网络分析仪的测试源端加上TVS管，测量低噪声放大器工作频段的偏 移，确定新的最大增益点； 第三步，在步骤一得到的匹配网络类型和大小的基础上，利用新的最大增益点，在史密 斯阻抗圆中重新确定源端的等效阻抗，从而估算TVS负载的特性和大小； 第四步，根据得到的TVS负载的特性和大小，利用谐振消除法和谐振隔离法对TVS进行 分离； 第五步：检验补偿后的低噪声放大器的性能和在ESD冲击下的鲁棒性。
2. 根据权利要求1所述的一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法，其 特征在于，步骤一中，检测的目标是低噪声放大器的双端口网络的正向传输系数和源端的 反射系数，在低噪声放大器的工作频点上获得平滑的传输增益和最小的反射；如果已知低 噪声放大器的电气参数图，可以直接得知匹配网络的类型和参数；若没有参数大小，可根据 低噪声放大器的结构判断其匹配网络类型，再根据已知的工作频段并查阅功放器件手册中 的S 11参数，推算源端的反射系数幅值和相位大小，在史密斯图中表示出源端等效阻抗，推 算匹配网络的参数大小。
3. 根据权利要求1或2所述的一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方 法，其特征在于，步骤四中，利用谐振消除法是通过并联电容或电感与TVS负载组成平行谐 振网络。
4. 根据权利要求1或2所述的一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方 法，其特征在于，步骤四中，利用谐振隔离法是在TVS负载路径上采用谐振器进行隔离。
【专利摘要】本发明公开了一种评估LNA源端的TVS负载效应特性的测试分析方法。具体步骤包括：(1)运用矢量网络分析仪对LNA进行检测，确定LNA的匹配网络类型和参数大小；(2)在矢量网络分析仪的测试源端加上TVS管，测量低噪声放大器工作频段的偏移，确定新的最大增益点；(3)利用新的最大增益点，在史密斯阻抗圆中重新确定源端的等效阻抗，从而估算TVS负载的特性和大小；(4)根据得到的TVS负载的特性和大小，利用谐振消除法和谐振隔离法对TVS进行分离；(5)检验补偿后的LNA的性能和在ESD冲击下的鲁棒性。本发明的分析方法能简易测试和评估运用TVS进行ESD防护中，其负载效应的特性，并在此基础上提供有效的方法解决TVS对LNA的负面影响。
【IPC分类】G01R31-28, G01R31-00
【公开号】CN104849578
【申请号】CN201510089982
【发明人】赵阳, 张丹宁, 童瑞婷, 张杨, 吴茜, 耿路
【申请人】南京师范大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年2月27日