對(duì)于ATE測(cè)試儀器儀表，典型測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開關(guān)功能是所有電子測(cè)試儀器儀表中的一項(xiàng)基本關(guān)鍵功能。由于待測(cè)器件（DUT）的復(fù)雜性提高，通道/引腳數(shù)量和功能增加，因而測(cè)試類型和所需測(cè)試數(shù)量也隨之增加。并且每個(gè)器件評(píng)估需要進(jìn)行數(shù)百項(xiàng)測(cè)試，特別是在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）中，因此測(cè)試速度非常重要。

對(duì)于ATE測(cè)試儀器儀表，典型測(cè)試設(shè)備設(shè)置的高級(jí)別方框圖如圖1所示。

圖1. 連接到待測(cè)器件的典型ATE測(cè)試系統(tǒng)，使用指定的開關(guān)

在測(cè)試設(shè)備外部，可能還需要輔助開關(guān)功能，特別是在器件接口板 (DIB) 上，它有時(shí)也被稱為測(cè)試接口單元(TIU)。圖 2顯示用于待測(cè)器件的ac/RF測(cè)試設(shè)置的此類功能和開關(guān)示例。在待測(cè)器件的測(cè)試板上，通常需要信號(hào)濾波、放大和校準(zhǔn)路徑，以提供足夠的測(cè)試靈活性，從而改進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)性能，例如最大程度地降低本底噪聲、減少印刷電路板 (PCB) 的損耗。

圖2. 顯示開關(guān)功能復(fù)雜性的AC/RF DIB示例

使用的開關(guān)類型取決于信號(hào)類型和所需性能。很多高性能固態(tài)開關(guān)也用于 ATE 測(cè)試設(shè)備。但是，當(dāng) dc PMU 信號(hào)和高速數(shù)字/RF 信號(hào)需要在共同測(cè)試路徑上傳輸，而且只能產(chǎn)生很小的信號(hào)損失和失真時(shí)，仍然需要大型 EMR 開 關(guān)。但是，EMR存在一些局限性。它們體積大，驅(qū)動(dòng)速度慢，使用壽命也非常有限，從布線的角度來(lái)看，很難設(shè)計(jì)到 PCB 中，需要外部的高功率驅(qū)動(dòng)器電路，返工復(fù)雜繁瑣。

MEMS 開關(guān)優(yōu)勢(shì)詳解

ADI 的MEMS開關(guān)既具備EMR的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)尺寸大幅縮小，而且還提高了RF額定性能和使用壽命。有關(guān)MEMS開關(guān)技術(shù)的詳細(xì)討論，請(qǐng)參見(jiàn)“ADI革命性 MEMS開關(guān)技術(shù)基本原理”。在測(cè)試儀器儀表中，開關(guān)尺寸非常重要，可決定在測(cè)試設(shè)備儀器電路板或待測(cè)器件接口TIU板上能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和通道數(shù)。圖3顯示ADGM1304 0Hz/dc至14 GHz帶寬、單刀四擲(SP4T) MEMS開關(guān)，被放置在典型的3 GHz帶寬雙刀雙擲 (DPDT) EMR之上。就體積差異來(lái)看，尺寸可縮小90%以上。

圖3. ADGM1304 5 mm × 4 mm × 0.95 mm LFCSP封裝（與典型RF EMR進(jìn)行比較）

除了 MEMS 技術(shù)的物理尺寸優(yōu)勢(shì)之外，MEMS 開關(guān)的電氣和機(jī)械性能也具有很大優(yōu)勢(shì)。表 1 顯示ADGM1304和 ADGM1004器件的一些關(guān)鍵規(guī)格，與典型的更高頻率單刀擲 (SPDT) 8 GHz EMR 進(jìn)行比較。 ADGM1304 和 ADGM1004器件具有出色的帶寬、插入損耗和切換時(shí)間，使用壽命為 10 億個(gè)周期。高帶寬是驅(qū)動(dòng)開關(guān)進(jìn)入新應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵。低功耗、低電壓、集成電源的驅(qū)動(dòng)器是 MEMS 開關(guān)的另外幾大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。ADGM1004具有較高的靜電放電(ESD)額定值，人體模型(HBM)的 ESD 額定值為 2.5 kV，電場(chǎng)感應(yīng)器件充電模型(FICDM)的 ESD 額定值為 1.25 kV， 從而進(jìn)一步增強(qiáng)了易用性。

表 1. ADGM1304和ADGM1004 SP4T MEMS 開關(guān)與典型 8 GHz SPDT EMR 規(guī)格比較

圖4顯示ADGM1304 SP4T MEMS開關(guān)的插入損耗和關(guān)斷隔離，與測(cè)試儀器儀表中常用的 DPDT 3 GHz EMR 進(jìn)行比較。 圖 4 顯示了MEMS 開關(guān)相對(duì)于EMR 的信號(hào)帶寬優(yōu)勢(shì)。

圖4. ADGM1304和3 GHz DPDT EMR的插入損耗與頻率

1. 繼電器開關(guān)的尺寸較大，必須遵守“禁區(qū)”設(shè)計(jì)規(guī)則，這意味著它要占用很大面積，缺乏測(cè)試可擴(kuò)展性。

2. 繼電器開關(guān)的使用壽命有限，僅為數(shù)百萬(wàn)個(gè)周期。

3. 必須級(jí)聯(lián)多個(gè)繼電器，才能實(shí)現(xiàn)需要的開關(guān)配置（例如，SP4T配置需要三個(gè)SPDT繼電器）。

4. 使用繼電器時(shí)，可能遇到PCB組裝問(wèn)題，通常導(dǎo)致很高的PCB返工率。

5. 由于布線限制和繼電器性能限制，實(shí)現(xiàn)全帶寬性能可能非常困難。

6. 電器驅(qū)動(dòng)速度緩慢，為毫秒級(jí)的時(shí)間量級(jí)，從而限制了測(cè)試速度。

圖5至圖7顯示了MEMS開關(guān)如何消除這些限制，增強(qiáng)其在 ATE應(yīng)用中的價(jià)值。圖5和圖6顯示了典型的dc/RF開關(guān)扇出應(yīng)用原理圖，分別使用 EMR 開關(guān)以及 ADGM1304 或 ADGM1004 MEMS開關(guān)。

圖5. 示例 DC/RF 扇出測(cè)試板原理圖，九個(gè) DPDT 繼電器的解決方案

圖6. 示例DC/RF扇出測(cè)試板原理圖，五個(gè)ADGM1304或ADGM1004 MEMS開關(guān)的解決方案

圖7. DC/RF扇出測(cè)試板的視覺(jué)比較，16:1多路復(fù)用功能，使用九個(gè)EMR開關(guān)（左）和五個(gè)MEMS開關(guān)（右）

圖7顯示了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)原理圖的視覺(jué)演示PCB的照片。該演示中使用扇出16:1多路復(fù)用功能。 圖5中的繼電器為DPDT EMR繼電器。需要九個(gè)DPDT繼電器和一個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)器IC，來(lái)實(shí)現(xiàn)18:1多路復(fù)用功能（八個(gè) DPDT繼電器只能產(chǎn)生14:1多路復(fù)用功能）。物理繼電器解決方案顯示在圖7左側(cè)，該圖說(shuō)明了繼電器解決方案占用了多大的面積、保持布線連接之間的對(duì)稱如何困難，以及對(duì)驅(qū)動(dòng)器IC的需求。

圖6和圖7右側(cè)顯示了相同的扇出開關(guān)功能，僅使用五個(gè) ADGM1304或ADGM1004 SP4T MEMS開關(guān)，因而得以簡(jiǎn)化。從圖6和圖7右側(cè)可看出，占用PCB面積減小，開關(guān)功能的布線復(fù)雜性降低。按面積計(jì)算，MEMS開關(guān)使占用面積減少68%以上，按體積計(jì)算，則可能減少95%以上。

ADGM1304和ADGM1004 MEMS開關(guān)內(nèi)置低電壓、可獨(dú)立控制的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器；因此，它們不需要外部驅(qū)動(dòng)器 IC。由于MEMS開關(guān)封裝的高度較小（ADGM1304的封裝高度為 0.95 mm，ADGM1004的封裝高度為1.45 mm），因此開關(guān)可以安裝在PCB的反面。較小的封裝高度增大了可實(shí)現(xiàn)的通道密度。圖8顯示了另一個(gè)測(cè)試設(shè)備開關(guān)使用示例。該圖顯示連接高速或RF待測(cè)器件的測(cè)試接口的典型原理圖，使用EMR作為開關(guān)元件。在本例中，評(píng)估電子設(shè)備需使用高速RF信號(hào)和數(shù)字/DC信號(hào)。

圖8. 示例RF和數(shù)字/DC DIB，使用14個(gè)EMR開關(guān)

圖8所示的解決方案使用繼電器作為開關(guān)解決方案。需要14 個(gè)SPDT繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)帶通濾波器選擇、數(shù)字信號(hào)路由、DC 參數(shù)測(cè)試功能。需要級(jí)聯(lián)繼電器。使用MEMS開關(guān)的等效解決方案如圖9所示。圖9顯示使用 MEMS開關(guān)時(shí)功能增強(qiáng)型測(cè)試接口簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)僅需六個(gè)ADGM1304/ADGM1004開關(guān)，從而顯著降低了布線復(fù)雜性和占用電路板面積。整體而言， ADGM1304 或 ADGM1004開關(guān)的SP4T配置可提供更多功能通道，并實(shí)現(xiàn)更多數(shù)字和DC參數(shù)測(cè)試功能：使用MEMS開關(guān)可實(shí)現(xiàn)八種功能，而使用繼電器僅實(shí)現(xiàn)四種功能。MEMS開關(guān)具有 14 GHz寬帶寬、0 Hz/dc工作頻率、小尺寸封裝和低電壓控制特性，這種解決方案更加靈活，延長(zhǎng)了使用壽命，減小了占用面積，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度高速數(shù)字信號(hào)路由和較寬帶寬的RF信號(hào)路由。

圖9. 簡(jiǎn)化和增強(qiáng)的RF和數(shù)字/DC DIB，使用六個(gè)MEMS開關(guān)

隨著器件復(fù)雜性和測(cè)試要求提高，從最佳性能和空間效率的角度來(lái)看，實(shí)現(xiàn)ATE解決方案的難度很大。由于DC/數(shù)字和RF功能現(xiàn)在成為普遍要求，開關(guān)也成為ATE自動(dòng)測(cè)試解決方案的必不可少的部分。ADI 的 MEMS開關(guān)技術(shù)獨(dú)樹一幟，與傳統(tǒng)的RF繼電器解決方案相比，它提升了測(cè)試功能和性能，而且占用的 PCB 面積更小。ADGM1304和 ADGM1004 SP4T MEMS開關(guān)具有精密 DC 性能和寬帶 RF 性能，采用小尺寸SMD封裝，驅(qū)動(dòng)功率要求較低，使用壽命長(zhǎng)，ESD可靠性增強(qiáng)。這些特性使得ADI公司的MEMS開關(guān)技術(shù)成為所有現(xiàn)代ATE設(shè)備的理想通用開關(guān)解決方案。