混合信號(hào)測(cè)試的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)優(yōu)化

在研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行混合信號(hào)測(cè)量時(shí)，通常需要開(kāi)關(guān)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境中多個(gè)器件的自動(dòng)化測(cè)試并加快測(cè)試過(guò)程。開(kāi)關(guān)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)高吞吐能力的一種工具，在對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行混合信號(hào)測(cè)量時(shí)尤為重要。

然而，針對(duì)這種測(cè)試系統(tǒng)選擇和配置開(kāi)關(guān)硬件和軟件時(shí)有許多潛在的誤區(qū)。這些誤區(qū)可能會(huì)導(dǎo)致達(dá)不到最佳速度、測(cè)量錯(cuò)誤、開(kāi)關(guān)壽命縮短及系統(tǒng)成本過(guò)高。因此，測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需了解影響待測(cè)信號(hào)完整性錯(cuò)誤的常見(jiàn)原因、影響吞吐能力的開(kāi)關(guān)配置、電纜連接錯(cuò)誤以及可能會(huì)增加測(cè)試系統(tǒng)成本的開(kāi)關(guān)選型問(wèn)題。

錯(cuò)誤的常見(jiàn)原因

對(duì)于新測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員以及無(wú)法使用帶開(kāi)關(guān)組件的現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)的用戶來(lái)說(shuō)，建議檢查潛在的錯(cuò)誤原因。從繼電器觸點(diǎn)開(kāi)始檢查不失為一個(gè)好辦法。

開(kāi)路狀態(tài)觸點(diǎn)至觸點(diǎn)電阻：在理想的開(kāi)路繼電器或開(kāi)關(guān)中，觸點(diǎn)之間的電阻為無(wú)窮大。事實(shí)上，常常有一些有限的電阻值需要考慮(見(jiàn)圖1)。關(guān)鍵是找出開(kāi)路電阻的數(shù)值，并確定其是否會(huì)影響通過(guò)系統(tǒng)的信號(hào)。雙通道開(kāi)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(qǐng)查看廠商提供的規(guī)格，了解開(kāi)路狀態(tài)下的觸點(diǎn)至觸點(diǎn)電阻。

圖1：開(kāi)關(guān)繼電器的絕緣電阻在開(kāi)路狀態(tài)下的圖示。

一般而言，開(kāi)路狀態(tài)下的電阻越大，觸點(diǎn)之間的泄漏越低，對(duì)信號(hào)完整性的影響就越小。大多數(shù)繼電器的開(kāi)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(cè)量。例如，通過(guò)開(kāi)關(guān)繼電器觸點(diǎn)切換5V電源信號(hào)，由于是開(kāi)路電阻而基本不會(huì)產(chǎn)生的什么影響。這是因?yàn)殡娫吹膬?nèi)部阻抗通常較低，而開(kāi)關(guān)的高阻抗對(duì)其不產(chǎn)生影響。表1提供了各種繼電器的開(kāi)路觸點(diǎn)隔離電阻及其他特性。

閉合狀態(tài)觸點(diǎn)至觸點(diǎn)電阻：在理想的閉合繼電器或開(kāi)關(guān)中，觸點(diǎn)之間沒(méi)有電阻。但在真實(shí)世界中，閉合開(kāi)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(diǎn)電阻規(guī)格不到100mW，這取決于繼電器和觸點(diǎn)設(shè)計(jì)。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，該電阻通常會(huì)增大。大多數(shù)繼電器在壽命終止時(shí)的規(guī)格均為2W左右。一般會(huì)在使用數(shù)百萬(wàn)次之后達(dá)到該阻值，這取決于不同的繼電器類型(請(qǐng)參見(jiàn)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(duì)通過(guò)開(kāi)關(guān)的信號(hào)的影響開(kāi)始變大)。

表1：各種繼電器的特性。

接觸電勢(shì)：這是由于采用不同的金屬材質(zhì)以及觸點(diǎn)到觸點(diǎn)接線端接合點(diǎn)的溫度梯度，而在觸點(diǎn)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(jìn)行低電壓和電阻測(cè)量時(shí)，接觸電勢(shì)可能相當(dāng)高。根據(jù)不同的觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，接觸電勢(shì)可從數(shù)納伏到1毫伏不等。為了獲得最好的測(cè)量結(jié)果，觸點(diǎn)電阻應(yīng)大幅低于最小的待測(cè)信號(hào)。

通道至通道隔離

通道至通道隔離：這種情況與通過(guò)開(kāi)關(guān)組件相鄰信號(hào)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(wèn)題并非易事。與花費(fèi)寶貴時(shí)間診斷難以琢磨的問(wèn)題相比，采用正確的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和規(guī)格開(kāi)始系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要簡(jiǎn)單得多，這同樣適用于其他潛在的錯(cuò)誤原因。

大多數(shù)開(kāi)關(guān)組件都是印制電路板(PCB)卡，這些板卡被插入開(kāi)關(guān)型測(cè)量?jī)x器中，或插入與單獨(dú)的儀表配合使用的開(kāi)關(guān)主機(jī)中。因此，任何兩個(gè)相鄰開(kāi)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(kāi)關(guān)卡的使用目的。通常，PCB上的開(kāi)關(guān)通道都是對(duì)齊的，以便實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷焊綦x，并容納各種開(kāi)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(shí)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(jī)會(huì)就越小。通道至通道隔離的典型值高達(dá)10GW，電容不到100pF，請(qǐng)參見(jiàn)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(gè)重要考慮因素。對(duì)于這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(gè)通道上的1V信號(hào)會(huì)溢開(kāi)，并在相鄰?fù)ǖ郎献兂?mV的信號(hào)。請(qǐng)記住，開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)部分時(shí)，也必須考慮開(kāi)路觸點(diǎn)隔離電阻。開(kāi)路觸點(diǎn)之間及相鄰?fù)ǖ乐g的隔離越高，通過(guò)系統(tǒng)的信號(hào)的完整性就越好。

偏置電流：即使測(cè)試信號(hào)不存在，開(kāi)關(guān)卡上也會(huì)出現(xiàn)這種電流。最大電流是由于機(jī)電繼電器中有限的線圈至觸點(diǎn)阻抗引起的。無(wú)論是哪種類型的繼電器，開(kāi)關(guān)卡上的靜電、壓電和電氣化學(xué)現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生偏置電流。

例如，在對(duì)晶圓和單個(gè)器件進(jìn)行半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試期間進(jìn)行低電平和高阻抗測(cè)量時(shí)，偏置電流就很重要。對(duì)半導(dǎo)體器件和材料進(jìn)行泄漏電流測(cè)量時(shí)，低偏置電流是一項(xiàng)相當(dāng)重要的技術(shù)指標(biāo)。進(jìn)行半導(dǎo)體C-V特性測(cè)量時(shí)，偏置電流也很重要。

偏置電流指標(biāo)的范圍可從不足1pA到1nA不等，具體值取決于卡的設(shè)計(jì)和使用目的。生產(chǎn)用于相對(duì)較高電平的直流電流和電壓切換的開(kāi)關(guān)卡的廠商可能不會(huì)提供偏置電流指標(biāo)，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，該指標(biāo)一般都不重要。

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

繼電器的工作速度是其觸點(diǎn)能夠可靠工作的開(kāi)關(guān)速度的度量。該速度受繼電器的動(dòng)作時(shí)間和釋放時(shí)間的限制。動(dòng)作時(shí)間是從向線圈加電到觸點(diǎn)穩(wěn)定之間的時(shí)間。因此，動(dòng)作時(shí)間包括觸點(diǎn)回跳時(shí)間。釋放時(shí)間與動(dòng)作時(shí)間是對(duì)應(yīng)的，它是從線圈掉電到觸點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間，也包括回跳時(shí)間。

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

固態(tài)開(kāi)關(guān)的使用：標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(shí)間對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)講綽綽有余。但是，在測(cè)試時(shí)間牽涉到成本問(wèn)題的生產(chǎn)應(yīng)用中，切換時(shí)間可能還是太長(zhǎng)。固態(tài)繼電器(例如晶體管，F(xiàn)ET)的切換時(shí)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(cè)試時(shí)間，同時(shí)可以提高測(cè)試吞吐能力。

固態(tài)繼電器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可靠性。固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)壽命差不多是機(jī)電繼電器開(kāi)關(guān)壽命的100倍。優(yōu)質(zhì)機(jī)電繼電器的開(kāi)關(guān)壽命差不多是1,000萬(wàn)次，而固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)壽命為約100億次。

一個(gè)缺點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致用雙線電阻測(cè)量時(shí)的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。試圖從“導(dǎo)通”電阻測(cè)量電路中阻值為幾毫歐，功率超過(guò)10W的電阻實(shí)際上會(huì)使這種低電阻測(cè)量失效。

可采用的一個(gè)解決方法是使用所謂的黃金通道或標(biāo)準(zhǔn)通道。該通道是器件端短路的通道。先閉合該通道，進(jìn)行電阻測(cè)量，再?gòu)乃衅渌ǖ罍p去該測(cè)量值。因此，“導(dǎo)通”電阻基本上被歸零。問(wèn)題是這只適用于黃金通道，不同的通道會(huì)略有不同。使用這種方法取決于要測(cè)量的電阻值和所需的精度。

對(duì)該電阻值進(jìn)行校正的另一種方法是是使用四線(開(kāi)爾文)測(cè)量法，這種測(cè)量法使用兩個(gè)通道，而不是一個(gè)通道。一個(gè)通道用于源出電流，另一個(gè)通道用于感應(yīng)電壓。這是測(cè)量低電阻的標(biāo)準(zhǔn)方法。使用機(jī)電或簧片繼電器只能測(cè)量數(shù)十毫歐的觸點(diǎn)電阻，在使用雙線測(cè)量法進(jìn)行低電阻測(cè)量時(shí)，這種方法更具優(yōu)勢(shì)。

其他穩(wěn)定時(shí)間問(wèn)題：除機(jī)械問(wèn)題外，還有與開(kāi)關(guān)的開(kāi)路和閉合相關(guān)的電氣問(wèn)題。機(jī)械繼電器的觸點(diǎn)開(kāi)放或閉合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大約幾皮庫(kù)的電荷轉(zhuǎn)移，這會(huì)在測(cè)試電路中產(chǎn)生電流脈沖。電荷轉(zhuǎn)移是由觸點(diǎn)的機(jī)械釋放或閉合、觸點(diǎn)至觸點(diǎn)電容以及信號(hào)與繼電器驅(qū)動(dòng)線路之間的寄生電容引起的。此現(xiàn)象會(huì)影響信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間和信號(hào)完整性。

另外，還要考慮信號(hào)的性質(zhì)。一些源自待測(cè)器件的信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間比其他信號(hào)要長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，待測(cè)器件輸出信號(hào)的上升時(shí)間被定義為當(dāng)激勵(lì)信號(hào)瞬間從零上升到某個(gè)固定值時(shí)，待測(cè)器件輸出信號(hào)從其最終值的10%上升到最終值的90%所需的時(shí)間。如果信號(hào)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(shí)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(shí)間就越長(zhǎng)。

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

本論文的詳細(xì)版本額外覆蓋了“開(kāi)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)和拓?fù)?rdquo;及“開(kāi)關(guān)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)折衷”等主題，可從混合信號(hào)測(cè)試的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)優(yōu)化獲得該詳細(xì)版本。