混合信號測試的開關系統優化 
 
 
在研發和生產過程中進行混合信號測量時，通常需要開關系統來實現生產環境中多個器件的自動化測試并加快測試過程。開關系統作為實現測試系統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，針對這種測試系統選擇和配置開關硬件和軟件時有許多潛在的誤區。這些誤區可能會導致達不到*佳速度、測量錯誤、開關壽命縮短及系統成本過高。因此，測試系統開發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配置、電纜連接錯誤以及可能會增加測試系統成本的開關選型問題。
 
錯誤的常見原因
 
對于新測試系統的開發人員以及無法使用帶開關組件的現有測試系統的用戶來說，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。
 
開路狀態觸點至觸點電阻：在理想的開路繼電器或開關中，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)。關鍵是找出開路電阻的數值，并確定其是否會影響通過系統的信號。雙通道開關有許多不同類型，每種類型都有各自的絕緣/隔離電阻規格。請查看廠商提供的規格，了解開路狀態下的觸點至觸點電阻。
 
 
混合信號測試的開關系統優化 
圖1：開關繼電器的絕緣電阻在開路狀態下的圖示。
 
一般而言，開路狀態下的電阻越大，觸點之間的泄漏越低，對信號完整性的影響就越小。大多數繼電器的開路狀態電阻規格介于1Mx和1GW之間，該電阻足以應付大多數應用，尤其是直流測量。例如，通過開關繼電器觸點切換5V電源信號，由于是開路電阻而基本不會產生的什么影響。這是因為電源的內部阻抗通常較低，而開關的高阻抗對其不產生影響。表1提供了各種繼電器的開路觸點隔離電阻及其他特性。
 
閉合狀態觸點至觸點電阻：在理想的閉合繼電器或開關中，觸點之間沒有電阻。但在真實世界中，閉合開關有少量的接觸電阻，一般為幾毫歐姆。大多數新繼電器的閉合觸點電阻規格不到100mW，這取決于繼電器和觸點設計。隨著使用時間的延長，該電阻通常會增大。大多數繼電器在壽命終止時的規格均為2W左右。一般會在使用數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(盡管其對通過開關的信號的影響開始變大)。
 
 
混合信號測試的開關系統優化 
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生的電壓。溫度梯度一般是由于通電的繼電器線圈產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。根據不同的觸點設計，接觸電勢可從數納伏到1毫伏不等。為了獲得*好的測量結果，觸點電阻應大幅低于*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組件相鄰信號通路之間的泄漏與串話干擾有關。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，采用正確的開關設計和規格開始系統開發要簡單得多，這同樣適用于其他潛在的錯誤原因。
 
大多數開關組件都是印制電路板(PCB)卡，這些板卡**入開關型測量儀器中，或插入與單獨的儀表配合使用的開關主機中。因此，任何兩個相鄰開關之間的電氣隔離都可以不同的方式表示，這取決于該開關卡的使用目的。通常，PCB上的開關通道都是對齊的，以便實現適當的電壓隔離，并容納各種開關及其他元件(比如連接器)的物理尺寸。這種間隔以及PCB的材料可以實現各通道之間某種程度的隔離。隔離程度越高，產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。
 
 
混合信號測試的開關系統優化 
圖2：帶分路電容和電阻的通道至通道隔離的圖示。
 
在高頻應用中，泄漏電容是一個重要考慮因素。對于這些應用來說，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，并在相鄰通道上變成1mV的信號。請記住，開發測試系統的開關部分時，也必須考慮開路觸點隔離電阻。開路觸點之間及相鄰通道之間的隔離越高，通過系統的信號的完整性就越好。
 
偏置電流：即使測試信號不存在，開關卡上也會出現這種電流。*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，開關卡上的靜電、壓電和電氣化學現象也會產生偏置電流。
 
例如，在對晶圓和單個器件進行半導體參數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指標。進行半導體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計和使用目的。生產用于相對較高電平的直流電流和電壓切換的開關卡的廠商可能不會提供偏置電流指標，因為在這些應用中，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型測試系統的吞吐能力有著直接的影響。系統開發人員必須注意繼電器的速度指標，以確保獲得**的測量結果。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，待測試系統和待測器件產生反應并穩定到*終值，*終測量待測器件的響應。如果在系統充分穩定之前測量，測量結果可能不準確。
 
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的，它是從線圈掉電到觸點達到穩定所需要的時間，也包括回跳時間。
 
系統穩定時間中的大部分時間與繼電器回跳時間相關，繼電器回跳穩定后，才會在信號通路中建立穩定可靠的連接。不同的繼電器，穩定時間各不相同，通常只相差數毫秒。有時候，繼電器開關卡有內置延遲電路，用于避免產生與觸點回跳引起的問題。此外，一些開關設備甚至具有用戶可編程延遲時間。
 
固態開關的使用：標準機電繼電器可以在數毫秒內從一種狀態切換到另一種狀態，如此快的時間對于某些應用來講綽綽有余。但是，在測試時間牽涉到成本問題的生產應用中，切換時間可能還是太長。固態繼電器(例如晶體管，FET)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省大量測試時間，同時可以提高測試吞吐能力。
 
固態繼電器的另一個優勢是可靠性。固態繼電器的開關壽命差不多是機電繼電器開關壽命的100倍。上等機電繼電器的開關壽命差不多是1,000萬次，而固態繼電器的開關壽命為約100億次。
 
一個缺點是大約為數十歐姆的固態繼電器“導通”電阻。如此高的電阻會導致用雙線電阻測量時的測量結果不準確。試圖從“導通”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電壓。這是測量低電阻的標準方法。使用機電或**繼電器只能測量數十毫歐的觸點電阻，在使用雙線測量法進行低電阻測量時，這種方法更具優勢。
 
其他穩定時間問題：除機械問題外，還有與開關的開路和閉合相關的電氣問題。機械繼電器的觸點開放或閉合時，會出現大約幾皮庫的電荷轉移，這會在測試電路中產生電流脈沖。電荷轉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動線路之間的寄生電容引起的。此現象會影響信號穩定時間和信號完整性。
 
另外，還要考慮信號的性質。一些源自待測器件的信號達到穩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*終值的10%上升到*終值的90%所需的時間。如果信號源自極高阻抗(產生非常低的電流)，則可能需要幾秒種甚至幾分鐘才能穩定。穩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。阻抗越高，電流越低，穩定需要的時間就越長。
 
確保測試系統已經充分穩定是進行**測量的關鍵。列出繼電器動作時間的規格參數只是確定一個測量序列總測度時間的**步。控制開關卡的主機或切換儀器也會產生一些開銷，該時間是它在測試序列中連接次數命令的函數。它隨測試序列的設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，測試系統的設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“開關系統架構和拓撲”及“開關測試系統設計折衷”等主題，可從混合信號測試的開關系統優化獲得該詳細版本。