功率放大器種類

發布時間:2019/4/24 16:54:48     來源:萬勝電子

傳統的數字語音回放系統包含兩個主要過程:

  (1)數字語音數據到模擬語音信號的變換(利用高精度數模轉換器DAC)實現;
  (2)利用模擬功率放大器進行模擬信號放大,如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期,許多研究者致力于開發不同類型的數字放大器,這種放大器直接從數字語音數據實現功率放大而不需要進行模擬轉換,這樣的放大器通常稱作數字功率放大器或者D類放大器。
  1、A類放大器
  A類放大器的主要特點是:放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近,晶體管在輸入信號的整個周期內均導通。放大器可單管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性範圍內,所以瞬態失真和交替失真較小。電路簡單,調試方便。但效率較低,晶體管功耗大,功率的理論最大值僅有25%,且有較大的非線性失真。 由于效率比較低 現在設計基本上不在再使用。
  2、B類放大器
  B類放大器的主要特點是:放大器的靜態點在(VCC,0)處,當沒有信號輸入時,輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內,Q1導通Q2截止,輸出端正半周正弦波;同理,當Vi爲負半波正弦波(如圖虛線部分所示),所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%),但是因放大器有一段工作在非線性區域內,故其缺點是"交越失真"較大。即當信號在-0.6V~ 0.6V之間時,
  Q1 Q2都無法導通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設計師摒棄。
  3、AB類放大器
  AB類放大器的主要特點是:晶體管的導通時間稍大于半周期,必須用兩管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真較大,可以抵消偶次諧波失真。有效率較高,晶體管功耗較小的特點。
  4、D類放大器
  D類(數字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數字信息變換成PWM(脈沖寬度調制)或PDM(脈沖密度調制)的脈沖信號,然後用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功率放大器,也稱爲開關放大器。具有效率高的突出優點.數字音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數模變換器.放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類放大或數字式放大器。系利用極高頻率的轉換開關電路來放大音頻信號的。
  1. 具有很高的效率,通常能夠達到85%以上。
  2. 體積小,可以比模擬的放大電路節省很大的空間。
  3. 無裂噪聲接通
  4. 低失真,頻率響應曲線好。外圍元器件少,便于設計調試。
  A類、B類和AB類放大器是模擬放大器,D類放大器是數字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小,功放晶體管功耗較小,散熱好,但B類放大器在晶體管導通與截止狀態的轉換過程中會因其開關特性不佳或因電路參數選擇不當而産生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真,頻率響應曲線好。外圍元器件少優點。AB類放大器和D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。 
  5、T類放大器
  T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調制D類功率放大器相同,功率晶體管也是工作在開關狀態,效率和D類功率放大器相當。但它和普通D類功率放大器不同的是:1、它不是使用脈沖調寬的方法,Tripath公司發明了一種稱作數碼功率放大器處理器“Digital Power Processing (DPP)”的數字功率技術,它是T類功率放大器的核心。它把通信技術中處理小信號的適應算法及預測算法用到這裏。輸入的音頻信號和進入揚聲器的電流經過DPP數字處理後,用于控制功率晶體管的導通關閉。從而使音質達到高保真線性放大。2、它的功率晶體管的切換頻率不是固定的,無用分量的功率譜並不是集中在載頻兩側狹窄的頻帶內,而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細節在整個頻帶上都清晰可“聞”。3、此外,T類功率放大器的動態範圍更寬,頻率響應平坦。DDP的出現,把數字時代的功率放大器推到一個新的高度。在高保真方面,線性度與傳統AB類功放相比有過之而無不及。
功率放大器選購
  選擇功率放大器的時候,首先要注意它的一些技術指標:1、輸入阻抗:通常表示功率放大器的抗幹擾能力的大小,一般會在5000-15000Ω,數值越大表示抗幹擾能力越強;2、失真度:指輸出信號同輸入信號相比的失真程度,數值越小質量越好,一般在0.05%以下;3、信噪比:是指輸出信號當中音樂信號和噪音信號之間的比例,數值越大代表聲音越幹淨。
  另外,在選購功率放大器的時候還要明確自己的購買意願,如果您希望加裝低音炮,最好購買5聲道的功放,通常2聲道和4聲道揚聲器只能推動前後揚聲器,而低音炮只能再另配功放,5聲道功放就可以解決這個問題,功率放大器的輸出功率也要盡量大于揚聲器的額定功率。


功率放大器原理
  高頻功率放大器用于發射機的末級,作用是將高頻已調波信號進行功率放大,以滿足發送功率的要求,然後經過天線將其輻射到空間,保證在一定區域內的接收機可以接收到滿意的信號電平,並且不幹擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統中發送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分爲窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種,窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作爲輸出回路,故又稱爲調諧功率放大器或諧振功率放大器;寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路,因此又稱爲非調諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉換器件,它將電源供給的直流能量轉換成爲高頻交流輸出。在 “低頻電子線路”課程中已知,放大器可以按照電流導通角的不同,將其分爲甲、乙、丙三類工作狀態。甲類放大器電流的流通角爲360o,適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于 180o;丙類放大器電流的流通角則小于180o。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大,因而不能用于低頻功率放大,只能用于采用調諧回路作爲負載的諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然極近于正弦波形,失真很小。除了以上幾種按電流流通角來分類的工作狀態外,又有使電子器件工作于開關狀態的丁類放大和戊類放大。丁類放大器的效率比丙類放大器的還高,理論上可達100%,但它的最高工作頻率受到開關轉換瞬間所産生的器件功耗(集電極耗散功率或陽極耗散功率)的限制。如果在電路上加以改進,使電子器件在通斷轉換瞬間的功耗盡量減小,則工作頻率可以提高。這就是戊類放大器。我們已經知道,在低頻放大電路中爲了獲得足夠大的低頻輸出功率,必須采用低頻功率放大器,而且低頻功率放大器也是一種將直流電源提供的能量轉換爲交流輸出的能量轉換器。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高,但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大,決定了他們之間有著本質的區別。低頻功率放大器的工作頻率低,但相對頻帶寬度卻很寬。例如,自20至 20000 Hz,高低頻率之比達 1000倍。因此它們都是采用無調諧負載,如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高(由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz),但相對頻帶很窄。例如,調幅廣播電台(535-1605 kHz的頻段範圍)的頻帶寬度爲 10 kHz,如中心頻率取爲 1000 kHz,則相對頻寬只相當于中心頻率的百分之一。中心頻率越高,則相對頻寬越小。因此,高頻功率放大器一般都采用選頻網絡作爲負載回路。由于這後一特點,使得這兩種放大器所選用的工作狀態不同:低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類(限于推挽電路)狀態;高頻功率放大器則一般都工作于丙類(某些特殊情況可工作于乙類)。近年來,寬頻帶發射機的各中間級還廣泛采用一種新型的寬帶高頻功率放大器,它不采用選頻網絡作爲負載回路,而是以頻率響應很寬的傳輸線作負載。這樣,它可以在很寬的範圍內變換工作頻率,而不必重新調諧。綜上所述可見,高頻功率放大器與低頻功率放大器的共同之點是要求輸出功率大,效率高;它們的不同之點則是二者的工作頻率與相對頻寬不同,因而負載網絡和工作狀態也不同。
  高頻功率放大器的主要技術指標有:輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度(或信號失真度)等。這幾項指標要求是互相矛盾的,在設計放大器時應根據具體要求,突出一些指標,兼顧其他一些指標。例如實際中有些電路,防止幹擾是主要矛盾,對諧波抑制度要求較高,而對帶寬要求可適當降低等。功率放大器的效率是一個突出的問題,其效率的高低與放大器的工作狀態有直接的關系。放大器的工作狀態可分爲甲類、乙類和丙類等。爲了提高放大器的工作效率,它通常工作在乙類、丙類,即晶體管工作延伸到非線性區域。但這些工作狀態下的放大器的輸出電流與輸出電壓間存在很嚴重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數大,不能采用諧振回路作負載,因此一般工作在甲類狀態;采用推挽電路時可以工作在乙類。高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數小,可以采用諧振回路作負載,故通常工作在丙類,通過諧振回路的選頻功能,可以濾除放大器集電極電流中的諧波成分,選出基波分量從而基本消除了非線性失真。所以,高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態,不能用線性等效電路分析,工程上普遍采用解析近似分析方法——折線法來分析其工作原理和工作狀態。這種分析方法的物理概念清楚,分析工作狀態方便,但計算准確度較低。以上討論的各類高頻功率放大器中,窄帶高頻功率放大器:用于提供足夠強的以載頻爲中心的窄帶信號功率,或放大窄帶已調信號或實現倍頻的功能,通常工作于乙類、丙類狀態。寬帶高頻功率放大器:用于對某些載波信號頻率變化範圍大得短波,超短波電台的中間各級放大級,以免對不同fc的繁瑣調諧。通常工作于甲類狀態。


功率放大器的性能指標
  無論AV放大器和Hi-Fi功放對功率放大器要求十分嚴格,在輸出功率、頻率響應、失真度、信噪比、輸出阻抗和阻尼系數等方面都有明確要求。
  (一)、輸出功率
  輸出功率是指功放電路輸送給負載的功率。目前人們對輸出功率的測量方法和評價方法很不統一,使用時注意。
  1、額定功率(RMS)
  它指在一定的諧波範圍內功放長期工作所能輸出的最大功率(嚴格說是正弦波信號)。經常把諧波失真度爲1%時的平均功率稱爲額定輸出功率或最大有用功率、持續功率、不失真功率等。很顯然規定的失真度前提不同時,額定功率數值將不相同。
  2、最大輸出功率
  當不考慮失真大小時,功放電路的輸出功率可遠高于額定功率,還可輸出更大數值的功率,它能輸出的最大功率稱爲最大輸出功率,前述額定功率與最大輸出功率是兩種不同前提條件的輸出功率
  3、音樂輸出功率(MPO)
  音樂輸出功率MPO是英文Music Power Outpur的縮寫,它是指功放電路工作于音樂信號時的輸出功率,也就是輸出失真度不超過規定值的條件下,功放對音樂信號的瞬間最大輸出功率。
  音樂輸出功率可以用來評價功放的動態聽音效果,例如在平穩的音樂過程後面突然出現了沖擊性強的打擊樂器聲音,有的功放電路可在瞬間提供很大的輸出功率給以力度感有使不完的勁;有的功放卻顯得力不從心底氣不足。爲了反映這瞬間突發性輸出功率的能力可以用音樂輸出功率來量度。
  4、峰值音樂輸出功率(PMPO)
  它是最大音樂輸出功率,是功放電路的另一個動態指標,若不考慮失真度功放電路可輸出的最大音樂功率就是峰值音樂輸出功率。
  通常峰值音樂輸出功率大于音樂輸出功率,音樂輸出功率大于最大輸出功率,最大輸出功率大于額定輸出功率,經實踐統計,峰值音樂輸出功率是額定輸出功率的5-8倍。
  (二)、頻率響應
  頻率響應反映功率放大器對音頻信號各頻率分量的放大能力,功率放大器的頻響範圍應不底于人耳的聽覺頻率範圍,因而在理想情況下,主聲道音頻功率放大器的工作頻率範圍爲20-20kHz。國際規定一般音頻功放的頻率範圍是40-16 kHz±1.5dB。
  (三)、失真
  失真是重放音頻信號的波形發生變化的現象。波形失真的原因和種類有很多,主要有諧波失真、互調失真、瞬態失真等。
  (四)、動態範圍
  放大器不失真的放大最小信號與最大信號電平的比值就是放大器的動態範圍。實際運用時,該比值使用dB來表示兩信號的電平差,高保真放大器的動態範圍應大于90 dB。
  自然界的各種噪聲形成周圍的背景噪聲,而周圍的背景噪聲和演奏出現的聲音強度相差很大,在通常情況下,將這個強度差稱爲動態範圍,優良音響系統在輸入強信號時不應産生過載失真,而在輸入弱信號時,有不應被自身産生的噪聲所淹沒,爲此好的音響系統應當具有較大的動態範圍,噪聲只能盡量減少,但不可能不産生噪聲。
  (五)、信噪比
  信噪比是指聲音信號大小與噪聲信號大小的比例關系,將攻放電路輸出聲音信號電平與輸出的各種噪聲電平之比的分貝數稱爲信噪比的大小。
  (六)、輸出阻抗和阻尼系數
  1、輸出阻抗
  功放輸出端與負載(揚聲器)所表現出的等效內阻抗稱爲功放的輸出阻抗。
  2、阻尼系數
  阻尼系數是指功放電路給負載進行電阻尼的能力。
功率放大器術語詳解
  工作範圍
  工作範圍是指功率放大器在規定的失真度和額定輸出功率條件下的工作頻帶寬度,即功率放大器的最低工作頻率至最高工作頻率之間的範圍,單位Hz(赫茲)。放大器實際的工作頻率範圍可能會大于定義的工作頻率範圍。
  工作模式
  功率放大器的工作模式主要有以下幾種:
  時分雙工(TDD)模式:
  在TDD模式的移動通信系統中,接收和傳送在同一頻率信道(即載波)的不同時隙,用保證時間來分離接收和傳送信道。
  TDD系統有如下特點:
  (1)不需要成對的頻率,能使用各種頻率資源,適用于不對稱的上下行數據傳輸速率,特別適用于IP型的數據業務;
  (2)上下行工作于同一頻率,電波傳播的對稱特性使之便于使用智能天線等新技術,達到提高性能、降低成本的目的;
  時分多址(TDMA)模式:
  TDMA是時分多址(Time Division Multiple Access)的英文縮寫。同一頻率的載波在某一特定時間內,分成若幹相等的小時間段,供多個不同號碼的用戶使用不同的小時間段來實現連接的通信方式。簡而言之,它是將一個狹窄的無線頻道分割成框架性的時間片斷(特別是3和8),並將每一個時間片斷分配給每一個用戶的數字無線技術。
  傳輸增益
  
  指放大器輸出功率和輸入功率的比值,單位常用“dB”(分貝)來表示。功率放大器的輸出增益隨輸入信號頻率的變化而提升或衰減。這項指標是考核功率放大器品質優劣的最爲重要的一項依據。該分貝值越小,說明功率放大器的頻率響應曲線越平坦,失真越小,信號的還原度和再現能力越強。
  輸出功率
  功率放大器的功率指標嚴格來講又有標稱輸出功率和最大瞬間輸出功率之分。前者就是額定輸出功率,它可以解釋爲諧波失真在標准範圍內變化、能長時間安全工作時輸出功率的最大值;後者是指功率放大器的“峰值”輸出功率,它解釋爲功率放大器接受電信號輸入時,在保證信號不受損壞的前提下瞬間所能承受的輸出功率最大值。
  接收增益
  增益是天線的主要指標之一,它是方向系數與效率的乘積,是天線輻射或接收電波大小的表現。增益大小的選擇取決于系統設計對電波覆蓋區域的要求,簡單地說,在同等條件下,增益越高,電波傳播的距離越遠。而功率放大器的接收增益值越大,則接收性能越強。
  避雷保護
  常見的直擊避雷保護措施:
  ① 避雷針:避雷針用來保護工業與民用高層建築以及發電廠、變壓所的屋外配電裝置、輸電線路個別區段、在雷電先導電路向地面延伸過程中,由于受到避雷針畸變電路的影響,會逐漸轉向並擊中避雷針,從而避免了雷電先導向被保護設備,擊毀被保護設備和建築的可能性。由此可見,避雷針實際上是引雷針,它將雷電引向自己,從而保護其它設備免遭雷擊。
  ② 避雷線:避雷線也叫架空地線,它是沿線路架設在杆塔頂端,並具有良好接地的金屬導線,避雷線是輸電線路的主要防雷保護措施。
  ③ 避雷帶、避雷網:在建築物上沿屋角、屋脊、檐角和屋檐等易受雷擊部位敷設的金屬網格,主要用于保護高大的民用建築。
  浪湧保護
  浪湧也叫突波,顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質上講,浪湧是發生在僅僅幾百萬分之一秒時間內的一種劇烈脈沖,。可能引起浪湧的原因有:重型設備、短路、電源切換或大型發動機。而含有浪湧阻絕裝置的産品可以有效地吸收突發的巨大能量,以保護連接設備免于受損。
  浪湧保護器,也叫信號防雷保護器,是一種爲各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因爲外界的幹擾突然産生尖峰電流或者電壓時,浪湧保護器能在極短的時間內導通分流,從而避免浪湧對回路中其他設備的損害。


阻抗匹配及防護措施(圖)
  對于主要作用是向負載提供功率的放大電路通常稱爲功率放大電路,其主要特點如下:一是輸出功率是指交變電壓和交變電流的乘積,即交流功率;二是交流功率是在輸入爲正弦波、輸出波形基本不失真時定義的;三是輸出功率大,因而消耗在電路內的能量和電源提供的能量也大;四是晶體管常常工作在極限應用狀態,由此要考慮必要的散熱措施和過電流、過電壓的保護措施。下面就功率放大器的阻抗匹配及防護措施作以扼要介紹。
  一、功率放大器的阻抗匹配
  在所有電子音像設備中,都有一個功率輸出的最佳方案問題,即爲了獲得最大的功率輸出而又不增加電路的投資經費,這就是功率放大器與揚聲器系統的最佳組合。
  功率放大器組合的目的是爲了達到最小的設備投資而獲得最大的功率輸出,以圖1互補型功率放大電路爲例:和爲功放朱級,工作于低偏置甲乙類互補狀態。它的輸出功率近似于乙類狀態。
  爲了達到最大輸出功率,所以負載的大小應該使功率管的電流輸出和電壓輸出的乘積最大,這時的狀態稱爲功率匹配狀態。在音響設備的揚聲器系統中音響的輸出阻抗應爲揚聲器組合狀態的總阻抗,這樣音響的輸出功率才是標明的額定標准功率,否則音響的輸出功率就達不到要求。
  例如:音響標准接頭上標明是4Ω、100W,那麽該接頭上的阻抗就是兩個8Q揚聲器的並聯,每個揚聲器可得到50W,這樣綜合揚聲器系統,就是4Ω、100W,否則不能實現100w的功率輸出。
  二、功率放大器的防護
  功率管是功率放大電路中最容易受到損壞的器件,損壞的大部分原因是由于管子的實際耗散功率超過了額定數值。另外,若功率放大器與揚聲器失配或揚聲器使用中長期過載,也極易損壞揚聲器(或音箱),因此,在音響設備中,防護的目的是保護昂貴的功放和揚聲器,所以對電源、功放、音箱的過載和短路保護是完全必要的。
  1.電源保護:圖2是分立元件穩壓電路,電路中Ri的是過載電流取樣電阻,當其電壓大于0.7V時,V13導通,集電極電位下降,調整管V11斷開,限制電源輸出電流。
  圖3是可調輸出電壓模塊,功耗達70W,電流可達10A,電壓調整率爲20.8%,輸出電壓爲1.25~15V,且有短路保護。
  當使用開關電源時(例如芯片CWl225),則有專門的保護控制端第⑩腳,只要輸入過電流或過電壓信號,即可達到保護目的。
  2.功放級晶體管保護:功率放大晶體管除在使用中必須注意環境溫度及選用合適的散熱器外,主要是考慮過電流和過電壓保護問題,目前應用的集成電路都設有限流保護和熱切斷保護功能(如HAl350、HA2211、LM2879等),所以在自制功放時須注意過壓保護,如圖4所示。依靠R內(電源內阻)和Vl、V2的擊穿,使過電壓不能升高而保護Vl、V2。
  3.音箱揚聲器系統保護:音響系統的保護有兩種意義:一種是音響揚聲器的過載;另一種不是音頻功率的過大、而是直流電位的偏移,導致無電容隔離的OCL或BTL電路揚聲器燒毀。過載時,功放電路已經有保護無須另外考慮,這裏僅介紹直流偏移組合音響保護電路。
  圖5爲組合音響保護電路。從圖中可以看出,當左、右聲道送入音箱的聲音信號,經過R1、R2被電容C2、C3旁路而無直流偏移時,整流橋無直流輸出,V11截止,V12、V13導通,繼電器K吸合,左、右聲頻信號經保險絲F輸出;當存在直流偏移時,整流橋輸出使V11導通,V12、V13截止,繼電器K釋放切斷了音頻信號,保護音箱。
  電路中C2、C3是濾波電容,C4具有開關機時延時接通音箱功能,避免開機時的沖擊噪聲,V則具有短路K的斷電反電動勢作用,保護V12、V13晶體管。
功率放大電流的特點
  對功放電路的了解或評價,主要從輸出功率、效率和失真這三方面考慮。
  1、爲得到需要的輸出功率,電路須選集電極功耗足夠大的三極管,功放管的工作電流和集電極電壓也較高。電路設計使用中首先要考慮怎樣充分地發揮三極管功能而又不損壞三極管。由于電路中功放管工作狀態常接近極限值,所以功放電流調整和使用時要小心,不宜超限使用。
  2、從能耗方面考慮,功放輸出的功率最終是由電源提供的,例如收音機中功放耗電要占整機的2/3,因此要十分注意提高電路效率,即輸出功率與耗電功率的比值。
  3、功放電路的輸入信號已經幾級放大,有足夠強度,這會使功放管工作點大幅度移動,所以要求功放電路有較大的動態範圍。功放管的工作點選擇不當,輸出會有嚴重失真。
  國內和國際功率放大器廠商:
  1. 北京琅拓科電子設備有限公司是專業生産射頻及微波功率放大器的廠商,其頻率覆蓋100KHz 到18GHz,功率從1W - 1KW不等,同時接受其他公司的訂購。
  2.國際上有AR,RFHIC ,Alfa,Acom等公司

作爲測試工程師,測試方案(Test Plan 我們暫時將TP作爲它的簡稱)的建立是我們一項必不可少的工作,那麽如何才能建立一個比較完美的TP呢,接下來我們將簡單闡述一下TP的相關問題,以幫助初學者掌握TP的建立過程。

  首先,在建立TP之前,我們必須了解它的作用,也就是爲什麽需要建立一個TP,大家知道:在整個測試開發中,無論是寫測試程序已經調試,乃至後期的測試維護,我們都會拿著一個TP作爲參考,沒有了TP就感覺沒了方向,這也是TP最重要的作用,它類似于一個向導的作用,當我們調試中出現問題時,可以拿來參考,參考裏面的測試原理圖,參考裏面的測試規格(spec),參考裏面的測試方法等等,這都是需要參考的內容。另外,有了TP,在別人看到你的測試程序時就更容易理解,有了TP,設計工程師也能夠看出這些測試項目是否可以保證芯片的性能,甚至有時候,我們的客戶也能從中受益,所以TP的重要性不言而喻。

  由此,我們可以簡單的概括TP的作用:TP是作爲測試開發以及後期維護過程中的一種重要參考文件,能夠起到指導和幫助測試工程師順利開展工作的作用,同時,也可以作爲不同TE之間的一種重要溝通工具。

  在了解了TP的作用之後,接下來我們了解一下TP的主要內容,其中最主要的內容莫過于測試原理圖、測試項目及方法描述、測試參數的規格(Test spec),另外還可以包含芯片功能簡單介紹,芯片極限工作條件,TP曆史修改記錄,版本等信息,以方便閱讀者理解。下面我們就每一項內容分別說明如下:

1、測試原理圖:也就是DUT板或者loadboard的原理圖,其中包括了芯片測試時所用到的外圍器件,繼電器,測試機資源以及測試時所需要的輔助電路等,從原理圖中我們可以可以清楚的看到使用的測試機型號,以及測試機配置等信息,關于原理圖的設計一般可參考芯片的應用圖,再根據要測試的項目,以及選定的測試機來完成。具體實例可參考:音頻功放測試實例

2、測試項目及方法描述:測試項目一般包括open/short,功耗ICC或IDD、直流參數,交流參數以及功能測試,數字芯片一般還會包涵數字向量測試,大規模SOC芯片一般都會包括SCAN和JTAG向量,再加上一些功能向量,而測試方法描述可以理解爲每項參數是如何測試實現的,如電源加多少電壓,多少電流,各引腳狀態,繼電器狀態等,比如測試open/short,VDD加0V,可以從每個引腳拉出100~200UA電流,然後測試引腳電壓,描述的時候一定要清楚,不要有歧義。

  另外,測試項目的順序也是很有講究的,我們一般將open-short作爲測試的第一項,爲什麽要這麽做呢?其原因主要有以下兩條:A、測試之前,首先要保證測試機資源和DUT(被測芯片device under test)的硬件連接是否完好,由于基本上每個引腳都會測試O/S,所以通過此項參數的測試,基本可以看出硬件連接是否有問題,所以此項參數有時也稱爲通斷測試(continuity)測試O/S的原理可參見:open-short測試原理,

B、可以迅速檢驗出IC是否失效,而不必浪費大量的測試時間在其他測試項上,一般情況下O/S失效,有兩種情況,其一爲測試機資源和IC引腳接觸不良,可使用萬用表檢查連接情況解決,其二,爲IC本身失效,如果是FT測試,特別是經過CP測試後的FT測試,大部分都是封裝的問題,可以直接做FA以確定問題所在,如果是CP測試,在排除了探針接觸問題後,基本上可以定位在wafer的問題上。在測試完O/S後,我們一般會安排ICC作爲第二項參數的測試,以檢驗IC的靜態電流或工作電流是否正常,如果IC有關斷功能的,可以考慮在ICC之前進行測試。後面可以再安排一些直流參數的測試,再次爲功能測試,最後爲關鍵性能測試,這樣安排測試順序的好處在于可以節省大量的測試時間,因爲在IC的量産測試中,測試機一般會設置成fail stop的模式,也就是其中一項參數失效後就不在繼續測試後面的參數,而前面的測試參數比較簡單,測試時間也比較少,後面的參數複雜,而且時間長,所以會節省很多時間,在出貨量很大的時候,這點尤其重要!望初學者予以重視!

3、測試參數的規格:也叫test spec,就是定義每項參數測試值的上下限,比如ICC < 6mA,有時測試規格可以無上限或者無下限,或者都可以有,但不能都沒有,測試規格我們可以從芯片的手冊上得到,一般要比手冊上的規格要嚴一些,以保證芯片測試後的質量,比如手冊上VOS在+-50mv之間,我們在定義FT的測試spec時可以在+-45MV之間,正規的TP裏面還應該包含QA的測試規格,QA規格是爲了檢驗FT測試後是否有誤測,漏測的IC,其規格可以在FT的spec基礎上適當放寬即可,可能的情況下,可以在spec中加上各參數的一個典型值,以更容易知道調試時得到的測試值是否正確,也有利于日後的測試維護工作。

4、測試bin的定義:BIN定義其實也是非常重要的一項內容,可以分爲硬件BIN可軟件BIN,硬件BIN主要在handler(機械手)在分選不同失效項時起到作用,而軟件BIN最大的作用在于TE對測試數據的分析,我們必須對每一項參數進行分BIN,也可以將一大類的參數分爲一個BIN,總之是爲了我們TE日後的分析服務,當我們拿到datalog或者summary之後,從其中的各BIN的失效情況,就能夠知道那些參數失效,從失效參數中,我們可以推測出是IC的問題,還是測試機的問題,還是loadboard的原因等,這當然需要大量的經驗積累,已經對IC的理解,才能准確的推測出原因,在此奉勸各位初學者要養成不斷總結的習慣,對于同一顆IC出現的各種問題要予以不斷的總結,分析,找出其內在的原因,這樣才能夠運籌帷幄,決勝千裏!

有關芯片trim之poly fuse 和metal fuse

傳統的Fuse主要有三種:以大電流燒斷的金屬熔線(Metal Fuse)和多晶硅熔線(Poly Fuse),或是以激光燒斷之金屬熔線(Laser Fuse)。Fuse爲電子産品中之關鍵性零組件,其功能爲掌管備用內存(Redundancy Memory)切換,或用于射頻電路(RF)中,提供可調整之電阻與電容特性(RC trimming),以及常見使用于安全碼(Security Code)、電子卷標之低字碼(Low Bit Count)數據儲存。現有市售産品因使用激光燒斷、大電流燒斷等制程,往往面臨不可回複性等問題,如以大電流燒斷之金屬熔線(Metal Fuse)或是複晶硅熔線(Poly Fuse),需以較大電流進行,將受限于燒錄設備與接腳的設計,而以激光燒斷之金屬熔線(Laser Fuse) 僅能在芯片封裝前進行,應用範圍受限,且制程的良率較差。傳統制程所衍生之不可回複性與不便利性俱爲産業界亟欲改良之缺點,且隨著半導體制程技術的進步,市場需要快速適應變化與突破限制的零組件。  Mix電路中常常要用到FUSE,用來trim電路的電阻、電容,以精確修調電壓/電流基准源的精度;實際CP燒Poly Fuse和燒Metal Fuse方法基本都一樣,都是使用探針probe引接 大電流(視線寬不同,一般150mA,50mS足亦)熔斷,一旦熔斷之後便不可恢複;(但實際良率可能不大好,會有燒不斷的情況發生)這個成本低,使用很普遍。而Laser Fuse的燒斷需要專門的Laser Trimming 設備,Laser trim電路的精度比燒Poly Fuse和燒Metal Fuse要好,不過,成本自然也高得多。具體使用哪一種純粹是公司/個人的偏好,有的人喜歡搞poly,有的人喜歡搞metal。

1、在trim的過程中經常會遇到燒不斷或燒壞芯片的問題。
  這個問題相信只要做trim的芯片都可能會遇到這樣的問題,只不過有些圓片這種問題出 現的少,沒有引起測試者的注意,其中燒不斷的主要原因在于電流太小,一般燒鋁要在 100-500MA左右,甚至更大些,其中MOS工藝的芯片,適當小一些,雙極的工藝,可以大 一些,另外還要看鋁線的寬度,越寬電流要越大,還有燒時候的等待時間一般5-15MS, 最後,一般做trim的PAD間距很近,探針容易碰到一起,造成短路,那就肯定燒不斷了, 這種情況一般出現在針卡用了一段時間之後,造成針偏而短路。
  燒壞芯片的原因就更複雜一些,一般燒熔絲控制的嵌位電壓爲5V左右,但實際上在燒的瞬間,trim PAD上的電壓可能會達到10V左右(不相信的兄弟可以用示波器抓一下看看),爲什麽呢,這就是你的引線中存在寄生電感,以及寄生電容,從而構成一個升壓電路,擡高了你的電壓,這個電壓雖然是瞬間的,但對于5V以下工藝的芯片來講,可能會存在致命的打擊!最好、最方便的解決辦法是,在靠近trim PAD的位置加上一個較大的電容(可以從0.01~0.1uf之間)來濾掉這個尖峰電壓,如果效果還是不佳,可以嘗試在trim的源上串一個5歐姆左右的功率電阻(功率要足夠大,不然會冒煙的哦)來限制一下電流,另外請注意鋁的熔絲電阻在2歐姆左右,多晶的熔絲電阻在100歐姆左右,所以在選擇電阻和電容的大小時候要注意一下,兩者是有區別的。
2、trim後封裝引起的電壓偏差問題
  此問題也是很頭疼的一個綜合問題,它涉及到測試、封裝工藝、封裝材料等因素,總的說來是封裝後電壓偏差主要是封裝造成的,但又不可避免,尤其是當芯片尺寸很小的時候,在封裝劃片、塑封時産生的應力將會導致電壓的變化,可以通過晶圓減薄的厚度不同,和封裝材料來控制,作爲測試工程師要注意數據統計,根據成測的結果來調整中測的規範。這裏有一篇關于封裝導致電壓偏移的文章可以參考:Package Shift in Plastic-packaged bandgap references.pdf

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