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(jìn)行混合信號測量時(shí)，通常需要開關(guān)系統(tǒng)來實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)開始檢查不失為一個好辦法。

　　開路狀態(tài)觸點(diǎn)至觸點(diǎn)電阻：在理想的開路繼電器或開關(guān)中，觸點(diǎn)之間的電阻為無窮大。事實(shí)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(diǎn)至觸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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?yàn)殡娫吹膬?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(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關(guān)中，觸點(diǎn)之間沒有電阻。但在真實(shí)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(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，該電阻通常會增大。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)。

　　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(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)行低電壓和電阻測量時(shí)，接觸電勢可能相當(dāng)高。根據(jù)不同的觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(fèi)寶貴時(shí)間診斷難以琢磨的問題相比，采用正確的開關(guān)設(shè)計(jì)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(dú)的儀表配合使用的開關(guān)主機(jī)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(shí)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(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(shí)，也必須考慮開路觸點(diǎn)隔離電阻。開路觸點(diǎn)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(jī)電繼電器中有限的線圈至觸點(diǎn)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(shí)，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(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特性測量時(shí)，偏置電流也很重要。