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(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

多年前曾有一次在國(guó)外出差,遇到一群工程師在討論一個(gè)MCM(multi-chip-module)熱耗問(wèn)題,兩家供應(yīng)商的MCM,RF工程師在上頭貼了熱電偶測(cè)溫度,測(cè)出來(lái)的溫度差距挺大,完全無(wú)法用效率差異來(lái)解釋。

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

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

十年前我在公司里做基站功放,那時(shí)候系統(tǒng)部專(zhuān)門(mén)招了一位博士來(lái)做熱仿真,我記得剛開(kāi)始打交道的時(shí)候,她就讓我問(wèn)供應(yīng)商要他們的熱仿真模型,不給的話(huà)就要各層材料的熱阻和尺寸,然后自己建模做仿真。

其實(shí)之前我們估結(jié)溫都很粗糙,在法蘭盤(pán)(那時(shí)候PA module法蘭安裝的還是主流)上貼一個(gè)熱電偶,測(cè)完溫度拿廠(chǎng)商給的熱阻一算拉倒。直到這位博士來(lái)了,我們才開(kāi)始精細(xì)的計(jì)算熱分布。

那時(shí)候RF工程師很多也是不懂熱設(shè)計(jì)的,所以一開(kāi)始鬧了很多笑話(huà):

問(wèn):“為啥不在芯片上面貼個(gè)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(dǎo)體,一級(jí)一級(jí)的串聯(lián)熱阻巨大,上面再貼散熱片效果不佳?！?

問(wèn):“那為啥FPGA上貼著好多?”

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

問(wèn):“為啥非要我把PA豎著擺?我走線(xiàn)都不好走!”

答:“PA豎過(guò)來(lái)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(shí)候,已經(jīng)不是當(dāng)年的菜鳥(niǎo)了,終于能坐下來(lái)跟熱工程師一起討論問(wèn)題了。

回到最開(kāi)始的那個(gè)問(wèn)題,為什么我猜那個(gè)MCM里面的IC是倒裝的?因?yàn)榈寡b芯片會(huì)有更多的熱耗通過(guò)焊球直接向PCB方向擴(kuò)散(對(duì)于通常沒(méi)有散熱片更沒(méi)有水冷風(fēng)冷的RF設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)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(cè)到的溫度顯然不同。

我剛到Nokia的時(shí)候,還不怎么懂手機(jī)設(shè)計(jì),有一次大家在一起討論剛遇到的一個(gè)GSM modulation spectrum問(wèn)題,大概是說(shuō)在低溫下調(diào)制譜在正負(fù)100多kHz左右的地方出現(xiàn)了鼓包,而且只有低溫下會(huì)出現(xiàn)。

我的第一反應(yīng)是:PA偏置電路自激。

當(dāng)然,那時(shí)候沒(méi)人理會(huì)我這個(gè)手機(jī)菜鳥(niǎo)的看法。還是按照正常處理流程,一級(jí)級(jí)查過(guò)來(lái),最終還是確認(rèn)問(wèn)題在PA上,于是大家把出問(wèn)題的PA切下來(lái)送回廠(chǎng)商分析去了。

過(guò)了兩個(gè)星期,報(bào)告回來(lái)了:偏置電路上的運(yùn)放自激。

我得說(shuō)當(dāng)時(shí)的同事們中間沒(méi)有誰(shuí)能比我見(jiàn)過(guò)更多的自激案例。做PA的天然就要與自激作斗爭(zhēng)——我?guī)煾到?jīng)常笑話(huà)我兩天之內(nèi)燒掉五個(gè)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(fù)100多kHz的地方造成穩(wěn)定的頻譜再生,這多半是有個(gè)100kHz左右的信號(hào)混到了PA里面產(chǎn)生了交調(diào)。

那么100kHz左右的信號(hào),說(shuō)明這個(gè)器件大概率是個(gè)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(yùn)放類(lèi)或者電壓比較器,而在PA的偏置和控制電路里是比較常見(jiàn)的。

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

某次在工廠(chǎng)里有塊板子壞了,工程師懷疑是FEM(front-end module)出了問(wèn)題,就用萬(wàn)用表去量FEM的輸出,果然是對(duì)地短路了,他認(rèn)為是PA被擊穿了,然后報(bào)告就這么寫(xiě)了出去。

我問(wèn)了一下電流,他們回答電流偏大一點(diǎn),但是并沒(méi)有大的離譜,FEM表面也不是很燙。當(dāng)時(shí)我就覺(jué)得那工程師量錯(cuò)了——不是說(shuō)他測(cè)量結(jié)果有問(wèn)題,而是說(shuō)測(cè)量結(jié)果根本不說(shuō)明問(wèn)題。

有很多FEM在設(shè)計(jì)的時(shí)候,為了ESD的考慮,都會(huì)在輸出口上放一個(gè)對(duì)地的電感;這個(gè)電感的好處是對(duì)射頻相當(dāng)于高阻,但是對(duì)靜電放電可以成為泄放通路。那么用萬(wàn)用表直接量輸出口,肯定會(huì)因?yàn)檫@個(gè)電感的存在而測(cè)量到對(duì)地短路。

對(duì)于PA來(lái)說(shuō),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(shí)候量到的一定是對(duì)地短路。然而這種情況下第一是會(huì)出現(xiàn)大電流(GSM PA的VCC一般是通過(guò)一個(gè)MOS管直接接到電池供電上的),第二是PA會(huì)明顯發(fā)燙;如果兩者都沒(méi)有出現(xiàn),一般不是PA擊穿。

這三個(gè)例子,有一個(gè)共同點(diǎn):猜。

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

對(duì)于RF工程師而言,我們的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域是很狹窄的,所以在實(shí)際工程問(wèn)題中,光憑RF知識(shí)解決問(wèn)題往往困難重重。所以很多RF工程師都是雜家——沾邊的、有關(guān)聯(lián)的甚至是個(gè)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(duì)的準(zhǔn)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(shí)愛(ài)好碼字兒,喜歡即興發(fā)揮,也擅命題作文?，F(xiàn)為FindRF特約專(zhuān)欄作者,自己也經(jīng)營(yíng)著一個(gè)低產(chǎn)微信公眾號(hào)“豬頭是頭豬”(沒(méi)錯(cuò),正著念倒著念是一樣的),公眾號(hào)ID:Huey-Dewey-Louie(沒(méi)錯(cuò),就是唐老鴨的那三個(gè)侄子)

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