混合信號測試的開關(guān)系統(tǒng)優(yōu)化

在研發(fā)和生產(chǎn)過程中進行混合信號測量時，通常需要開關(guān)系統(tǒng)來實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境中多個器件的自動化測試并加快測試過程。開關(guān)系統(tǒng)作為實現(xiàn)測試系統(tǒng)高吞吐能力的一種工具，在對多個器件進行混合信號測量時尤為重要。

然而，針對這種測試系統(tǒng)選擇和配置開關(guān)硬件和軟件時有許多潛在的誤區(qū)。這些誤區(qū)可能會導(dǎo)致達不到最佳速度、測量錯誤、開關(guān)壽命縮短及系統(tǒng)成本過高。因此，測試系統(tǒng)開發(fā)人員需了解影響待測信號完整性錯誤的常見原因、影響吞吐能力的開關(guān)配置、電纜連接錯誤以及可能會增加測試系統(tǒng)成本的開關(guān)選型問題。

錯誤的常見原因

對于新測試系統(tǒng)的開發(fā)人員以及無法使用帶開關(guān)組件的現(xiàn)有測試系統(tǒng)的用戶來說，建議檢查潛在的錯誤原因。從繼電器觸點開始檢查不失為一個好辦法。

開路狀態(tài)觸點至觸點電阻：在理想的開路繼電器或開關(guān)中，觸點之間的電阻為無窮大。事實上，常常有一些有限的電阻值需要考慮(見圖1)。關(guān)鍵是找出開路電阻的數(shù)值，并確定其是否會影響通過系統(tǒng)的信號。雙通道開關(guān)有許多不同類型，每種類型都有各自的絕緣/隔離電阻規(guī)格。請查看廠商提供的規(guī)格，了解開路狀態(tài)下的觸點至觸點電阻。

圖1：開關(guān)繼電器的絕緣電阻在開路狀態(tài)下的圖示。

一般而言，開路狀態(tài)下的電阻越大，觸點之間的泄漏越低，對信號完整性的影響就越小。大多數(shù)繼電器的開路狀態(tài)電阻規(guī)格介于1Mx和1GW之間，該電阻足以應(yīng)付大多數(shù)應(yīng)用，尤其是直流測量。例如，通過開關(guān)繼電器觸點切換5V電源信號，由于是開路電阻而基本不會產(chǎn)生的什么影響。這是因為電源的內(nèi)部阻抗通常較低，而開關(guān)的高阻抗對其不產(chǎn)生影響。表1提供了各種繼電器的開路觸點隔離電阻及其他特性。

閉合狀態(tài)觸點至觸點電阻：在理想的閉合繼電器或開關(guān)中，觸點之間沒有電阻。但在真實世界中，閉合開關(guān)有少量的接觸電阻，一般為幾毫歐姆。大多數(shù)新繼電器的閉合觸點電阻規(guī)格不到100mW，這取決于繼電器和觸點設(shè)計。隨著使用時間的延長，該電阻通常會增大。大多數(shù)繼電器在壽命終止時的規(guī)格均為2W左右。一般會在使用數(shù)百萬次之后達到該阻值，這取決于不同的繼電器類型(請參見表1)。即使在如此高的電阻下，繼電器仍能正常工作(盡管其對通過開關(guān)的信號的影響開始變大)。

表1：各種繼電器的特性。

接觸電勢：這是由于采用不同的金屬材質(zhì)以及觸點到觸點接線端接合點的溫度梯度，而在觸點接線端之間產(chǎn)生的電壓。溫度梯度一般是由于通電的繼電器線圈產(chǎn)生的耗散功率引起的。進行低電壓和電阻測量時，接觸電勢可能相當高。根據(jù)不同的觸點設(shè)計，接觸電勢可從數(shù)納伏到1毫伏不等。為了獲得最好的測量結(jié)果，觸點電阻應(yīng)大幅低于最小的待測信號。

通道至通道隔離

通道至通道隔離：這種情況與通過開關(guān)組件相鄰信號通路之間的泄漏與串話干擾有關(guān)。診斷由于泄漏和串話干擾引起的問題并非易事。與花費寶貴時間診斷難以琢磨的問題相比，采用正確的開關(guān)設(shè)計和規(guī)格開始系統(tǒng)開發(fā)要簡單得多，這同樣適用于其他潛在的錯誤原因。

大多數(shù)開關(guān)組件都是印制電路板(PCB)卡，這些板卡被插入開關(guān)型測量儀器中，或插入與單獨的儀表配合使用的開關(guān)主機中。因此，任何兩個相鄰開關(guān)之間的電氣隔離都可以不同的方式表示，這取決于該開關(guān)卡的使用目的。通常，PCB上的開關(guān)通道都是對齊的，以便實現(xiàn)適當?shù)碾妷焊綦x，并容納各種開關(guān)及其他元件(比如連接器)的物理尺寸。這種間隔以及PCB的材料可以實現(xiàn)各通道之間某種程度的隔離。隔離程度越高，產(chǎn)生串話干擾或泄漏的機會就越小。通道至通道隔離的典型值高達10GW，電容不到100pF，請參見圖2。

圖2：帶分路電容和電阻的通道至通道隔離的圖示。

在高頻應(yīng)用中，泄漏電容是一個重要考慮因素。對于這些應(yīng)用來說，隔離通常用dB表示。例如，60dB表示通道至通道的隔離為1,000:1，意味著一個通道上的1V信號會溢開，并在相鄰?fù)ǖ郎献兂?mV的信號。請記住，開發(fā)測試系統(tǒng)的開關(guān)部分時，也必須考慮開路觸點隔離電阻。開路觸點之間及相鄰?fù)ǖ乐g的隔離越高，通過系統(tǒng)的信號的完整性就越好。

偏置電流：即使測試信號不存在，開關(guān)卡上也會出現(xiàn)這種電流。最大電流是由于機電繼電器中有限的線圈至觸點阻抗引起的。無論是哪種類型的繼電器，開關(guān)卡上的靜電、壓電和電氣化學(xué)現(xiàn)象也會產(chǎn)生偏置電流。

例如，在對晶圓和單個器件進行半導(dǎo)體參數(shù)測試期間進行低電平和高阻抗測量時，偏置電流就很重要。對半導(dǎo)體器件和材料進行泄漏電流測量時，低偏置電流是一項相當重要的技術(shù)指標。進行半導(dǎo)體C-V特性測量時，偏置電流也很重要。

偏置電流指標的范圍可從不足1pA到1nA不等，具體值取決于卡的設(shè)計和使用目的。生產(chǎn)用于相對較高電平的直流電流和電壓切換的開關(guān)卡的廠商可能不會提供偏置電流指標，因為在這些應(yīng)用中，該指標一般都不重要。

繼電器切換速度：繼電器的工作速度對開關(guān)型測試系統(tǒng)的吞吐能力有著直接的影響。系統(tǒng)開發(fā)人員必須注意繼電器的速度指標，以確保獲得精確的測量結(jié)果。典型的測試方案是向待測器件(DUT)施加一個激勵信號，等待一小段時間后，待測試系統(tǒng)和待測器件產(chǎn)生反應(yīng)并穩(wěn)定到最終值，最終測量待測器件的響應(yīng)。如果在系統(tǒng)充分穩(wěn)定之前測量，測量結(jié)果可能不準確。

繼電器的工作速度是其觸點能夠可靠工作的開關(guān)速度的度量。該速度受繼電器的動作時間和釋放時間的限制。動作時間是從向線圈加電到觸點穩(wěn)定之間的時間。因此，動作時間包括觸點回跳時間。釋放時間與動作時間是對應(yīng)的，它是從線圈掉電到觸點達到穩(wěn)定所需要的時間，也包括回跳時間。

系統(tǒng)穩(wěn)定時間中的大部分時間與繼電器回跳時間相關(guān)，繼電器回跳穩(wěn)定后，才會在信號通路中建立穩(wěn)定可靠的連接。不同的繼電器，穩(wěn)定時間各不相同，通常只相差數(shù)毫秒。有時候，繼電器開關(guān)卡有內(nèi)置延遲電路，用于避免產(chǎn)生與觸點回跳引起的問題。此外，一些開關(guān)設(shè)備甚至具有用戶可編程延遲時間。

固態(tài)開關(guān)的使用：標準機電繼電器可以在數(shù)毫秒內(nèi)從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)，如此快的時間對于某些應(yīng)用來講綽綽有余。但是，在測試時間牽涉到成本問題的生產(chǎn)應(yīng)用中，切換時間可能還是太長。固態(tài)繼電器(例如晶體管，F(xiàn)ET)的切換時間更快，通常不到1毫秒。從幾毫秒縮短到幾百微秒可以節(jié)省大量測試時間，同時可以提高測試吞吐能力。

固態(tài)繼電器的另一個優(yōu)勢是可靠性。固態(tài)繼電器的開關(guān)壽命差不多是機電繼電器開關(guān)壽命的100倍。優(yōu)質(zhì)機電繼電器的開關(guān)壽命差不多是1,000萬次，而固態(tài)繼電器的開關(guān)壽命為約100億次。

一個缺點是大約為數(shù)十歐姆的固態(tài)繼電器“導(dǎo)通”電阻。如此高的電阻會導(dǎo)致用雙線電阻測量時的測量結(jié)果不準確。試圖從“導(dǎo)通”電阻測量電路中阻值為幾毫歐，功率超過10W的電阻實際上會使這種低電阻測量失效。

可采用的一個解決方法是使用所謂的黃金通道或標準通道。該通道是器件端短路的通道。先閉合該通道，進行電阻測量，再從所有其他通道減去該測量值。因此，“導(dǎo)通”電阻基本上被歸零。問題是這只適用于黃金通道，不同的通道會略有不同。使用這種方法取決于要測量的電阻值和所需的精度。

對該電阻值進行校正的另一種方法是是使用四線(開爾文)測量法，這種測量法使用兩個通道，而不是一個通道。一個通道用于源出電流，另一個通道用于感應(yīng)電壓。這是測量低電阻的標準方法。使用機電或簧片繼電器只能測量數(shù)十毫歐的觸點電阻，在使用雙線測量法進行低電阻測量時，這種方法更具優(yōu)勢。

其他穩(wěn)定時間問題：除機械問題外，還有與開關(guān)的開路和閉合相關(guān)的電氣問題。機械繼電器的觸點開放或閉合時，會出現(xiàn)大約幾皮庫的電荷轉(zhuǎn)移，這會在測試電路中產(chǎn)生電流脈沖。電荷轉(zhuǎn)移是由觸點的機械釋放或閉合、觸點至觸點電容以及信號與繼電器驅(qū)動線路之間的寄生電容引起的。此現(xiàn)象會影響信號穩(wěn)定時間和信號完整性。

另外，還要考慮信號的性質(zhì)。一些源自待測器件的信號達到穩(wěn)定所需要的時間比其他信號要長。一般來說，待測器件輸出信號的上升時間被定義為當激勵信號瞬間從零上升到某個固定值時，待測器件輸出信號從其最終值的10%上升到最終值的90%所需的時間。如果信號源自極高阻抗(產(chǎn)生非常低的電流)，則可能需要幾秒種甚至幾分鐘才能穩(wěn)定。穩(wěn)定時間與為電纜充電的小電流或電路中的寄生電容直接相關(guān)。阻抗越高，電流越低，穩(wěn)定需要的時間就越長。

確保測試系統(tǒng)已經(jīng)充分穩(wěn)定是進行精確測量的關(guān)鍵。列出繼電器動作時間的規(guī)格參數(shù)只是確定一個測量序列總測度時間的第一步?？刂崎_關(guān)卡的主機或切換儀器也會產(chǎn)生一些開銷，該時間是它在測試序列中連接次數(shù)命令的函數(shù)。它隨測試序列的設(shè)計的不同而有所不同，但一些切換儀器和主機具有指示繼電器何時閉合的顯示，從而提供一些表示一個測試序列進行得多快的指標。但是，請記住，測試系統(tǒng)的設(shè)計往往會涉及在吞吐能力和精度之間進行折衷。

本論文的詳細版本額外覆蓋了“開關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)和拓撲”及“開關(guān)測試系統(tǒng)設(shè)計折衷”等主題，可從混合信號測試的開關(guān)系統(tǒng)優(yōu)化獲得該詳細版本。