混合信號測試的開關(guān)系統(tǒng)優(yōu)化 - 全文

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　　在研發(fā)和生產(chǎn)過程中進(jìn)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(jìn)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(dá)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。

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　　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(dá)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)。

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　　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(jìn)行低電壓和電阻測量時，接觸電勢可能相當(dāng)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(dāng)?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(dá)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(jìn)行半導(dǎo)體參數(shù)測試期間進(jìn)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(jìn)行泄漏電流測量時，低偏置電流是一項相當(dāng)重要的技術(shù)指標(biāo)。進(jìn)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(biāo)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(biāo)，因為在這些應(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(biāo)，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(zhǔn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dá)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(dāng)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(jìn)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。控制開關(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(jìn)行得多快的指標(biāo)。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(jìn)行折衷。

　　本論文的詳細(xì)版本額外覆蓋了“開關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)和拓?fù)洹奔啊伴_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(xì)版本。