什么是RF工程師的基本功（續(xù)）【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-06-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

多年前曾有一次在國外出差,遇到一群工程師在討論一個MCM(multi-chip-module)熱耗問題,兩家供應商的MCM,RF工程師在上頭貼了熱電偶測溫度,測出來的溫度差距挺大,完全無法用效率差異來解釋。

我瞄了一眼,插了一句:“里面的RF PA是不是有一個是倒裝(flip chip)的,另一個不是?”

一群人愣了一下,然后為頭的那位老哥很興奮的說:“I like this theory!”

十年前我在公司里做基站功放,那時候系統(tǒng)部專門招了一位博士來做熱仿真,我記得剛開始打交道的時候,她就讓我問供應商要他們的熱仿真模型,不給的話就要各層材料的熱阻和尺寸,然后自己建模做仿真。

其實之前我們估結(jié)溫都很粗糙,在法蘭盤(那時候PA module法蘭安裝的還是主流)上貼一個熱電偶,測完溫度拿廠商給的熱阻一算拉倒。直到這位博士來了,我們才開始精細的計算熱分布。

那時候RF工程師很多也是不懂熱設計的,所以一開始鬧了很多笑話:

問:“為啥不在芯片上面貼個散熱片?(我腦海中忽然出現(xiàn)了Intel P4紅泥小火爐)”

答:“瓷封里面是抽真空或者充惰性氣體,加上瓷封本身也是熱的不良導體,一級一級的串聯(lián)熱阻巨大,上面再貼散熱片效果不佳?！?

問:“那為啥FPGA上貼著好多?”

答:“FPGA的molding材料導熱性相比真空、惰性氣體或者陶瓷要好得多?！?

問:“為啥非要我把PA豎著擺?我走線都不好走!”

答:“PA豎過來之后,從外面看可以跨三道(散熱)齒,橫著擺只能跨一道。”

再往后五年,又回到基站行業(yè)的時候,已經(jīng)不是當年的菜鳥了,終于能坐下來跟熱工程師一起討論問題了。

回到最開始的那個問題,為什么我猜那個MCM里面的IC是倒裝的?因為倒裝芯片會有更多的熱耗通過焊球直接向PCB方向擴散(對于通常沒有散熱片更沒有水冷風冷的RF設計來說這是最合理的),相比傳統(tǒng)的bonding wire模式(朝向PCB方向)熱阻更低、散熱效率更高。如果MCM的molding工藝差不多,那么在MCM上表面測到的溫度顯然不同。

我剛到Nokia的時候,還不怎么懂手機設計,有一次大家在一起討論剛遇到的一個GSM modulation spectrum問題,大概是說在低溫下調(diào)制譜在正負100多kHz左右的地方出現(xiàn)了鼓包,而且只有低溫下會出現(xiàn)。

我的第一反應是:PA偏置電路自激。

當然,那時候沒人理會我這個手機菜鳥的看法。還是按照正常處理流程,一級級查過來,最終還是確認問題在PA上,于是大家把出問題的PA切下來送回廠商分析去了。

過了兩個星期,報告回來了:偏置電路上的運放自激。

我得說當時的同事們中間沒有誰能比我見過更多的自激案例。做PA的天然就要與自激作斗爭——我?guī)煾到?jīng)常笑話我兩天之內(nèi)燒掉五個管子的“光榮事跡”。

但是一般的PA自激,往往是出現(xiàn)不正常的輸出功率甚至燒掉管子,如果要在正負100多kHz的地方造成穩(wěn)定的頻譜再生,這多半是有個100kHz左右的信號混到了PA里面產(chǎn)生了交調(diào)。

那么100kHz左右的信號,說明這個器件大概率是個普通模擬器件而不是RF元件,工作帶寬或者頻率閾值最多也就這么高。這種元件什么最多呢?運放類或者電壓比較器,而在PA的偏置和控制電路里是比較常見的。

再加上最重要的一點:低溫。低溫下器件的增益會變高而穩(wěn)定性降低,如果這個問題僅僅在低溫下可見,那么就有可能是低溫下的自激。

某次在工廠里有塊板子壞了,工程師懷疑是FEM(front-end module)出了問題,就用萬用表去量FEM的輸出,果然是對地短路了,他認為是PA被擊穿了,然后報告就這么寫了出去。

我問了一下電流,他們回答電流偏大一點,但是并沒有大的離譜,FEM表面也不是很燙。當時我就覺得那工程師量錯了——不是說他測量結(jié)果有問題,而是說測量結(jié)果根本不說明問題。

有很多FEM在設計的時候,為了ESD的考慮,都會在輸出口上放一個對地的電感;這個電感的好處是對射頻相當于高阻,但是對靜電放電可以成為泄放通路。那么用萬用表直接量輸出口,肯定會因為這個電感的存在而測量到對地短路。

對于PA來說,最糟糕的情況是發(fā)射極到集電極之間或者是源極到漏極之間被打穿,這時候量到的一定是對地短路。然而這種情況下第一是會出現(xiàn)大電流(GSM PA的VCC一般是通過一個MOS管直接接到電池供電上的),第二是PA會明顯發(fā)燙;如果兩者都沒有出現(xiàn),一般不是PA擊穿。

這三個例子,有一個共同點:猜。

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工程師在很多時候是找不到直接證據(jù)的,或者說獲取直接證據(jù)有可能需要破壞現(xiàn)場。這時候就要靠猜,先猜一個或者幾個合理的方向,再繼續(xù)深入。

對于RF工程師而言,我們的專業(yè)領域是很狹窄的,所以在實際工程問題中,光憑RF知識解決問題往往困難重重。所以很多RF工程師都是雜家——沾邊的、有關聯(lián)的甚至是個人感興趣的都去鉆一鉆,鉆的多了,懂得(不管是皮毛還是深入)多了,猜對的準確率也就水漲船高。

延伸閱讀:什么是RF工程師的基本功

作者介紹:

豬頭是頭豬,80年代人,射頻攻城獅,閑時愛好碼字兒,喜歡即興發(fā)揮,也擅命題作文?，F(xiàn)為FindRF特約專欄作者,自己也經(jīng)營著一個低產(chǎn)微信公眾號“豬頭是頭豬”(沒錯,正著念倒著念是一樣的),公眾號ID:Huey-Dewey-Louie(沒錯,就是唐老鴨的那三個侄子)

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