混合信號測試的開(kāi)關(guān)系統優(yōu)化

　　在研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行混合信號測量時(shí)，通常需要開(kāi)關(guān)系統來(lái)實(shí)現生產(chǎn)環(huán)境中多個(gè)器件的自動(dòng)化測試并加快測試過(guò)程。開(kāi)關(guān)系統作為實(shí)現測試系統高吞吐能力的一種工具，在對多個(gè)器件進(jìn)行混合信號測量時(shí)尤為重要。

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

　　錯誤的常見(jiàn)原因

　　對于新測試系統的開(kāi)發(fā)人員以及無(wú)法使用帶開(kāi)關(guān)組件的現有測試系統的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，建議檢查潛在的錯誤原因。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)路電阻的數值，并確定其是否會(huì )影響通過(guò)系統的信號。雙通道開(kāi)關(guān)有許多不同類(lèi)型，每種類(lèi)型都有各自的絕緣/隔離電阻規格。請查看廠(chǎng)商提供的規格，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，對信號完整性的影響就越小。大多數繼電器的開(kāi)路狀態(tài)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(guò)開(kāi)關(guān)繼電器觸點(diǎn)切換5V電源信號，由于是開(kāi)路電阻而基本不會(huì )產(chǎn)生的什么影響。這是因為電源的內部阻抗通常較低，而開(kāi)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(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。大多數新繼電器的閉合觸點(diǎn)電阻規格不到100mW，這取決于繼電器和觸點(diǎn)設計。隨著(zhù)使用時(shí)間的延長(cháng)，該電阻通常會(huì )增大。大多數繼電器在壽命終止時(shí)的規格均為2W左右。一般會(huì )在使用數百萬(wàn)次之后達到該阻值，這取決于不同的繼電器類(lèi)型(請參見(jiàn)表1)。即使在如此高的電阻下，繼電器仍能正常工作(盡管其對通過(guò)開(kāi)關(guān)的信號的影響開(kāi)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(xiàn)端接合點(diǎn)的溫度梯度，而在觸點(diǎn)接線(xiàn)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(xiàn)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)，接觸電勢可能相當高。根據不同的觸點(diǎn)設計，接觸電勢可從數納伏到1毫伏不等。為了獲得最好的測量結果，觸點(diǎn)電阻應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(guò)開(kāi)關(guān)組件相鄰信號通路之間的泄漏與串話(huà)干擾有關(guān)。診斷由于泄漏和串話(huà)干擾引起的問(wèn)題并非易事。與花費寶貴時(shí)間診斷難以琢磨的問(wèn)題相比，采用正確的開(kāi)關(guān)設計和規格開(kāi)始系統開(kāi)發(fā)要簡(jiǎn)單得多，這同樣適用于其他潛在的錯誤原因。

　　大多數開(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)型測量?jì)x器中，或插入與單獨的儀表配合使用的開(kāi)關(guān)主機中。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)通道都是對齊的，以便實(shí)現適當的電壓隔離，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)現各通道之間某種程度的隔離。隔離程度越高，產(chǎn)生串話(huà)干擾或泄漏的機會(huì )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(jiàn)圖2。

　　圖2：帶分路電容和電阻的通道至通道隔離的圖示。

　　在高頻應用中，泄漏電容是一個(gè)重要考慮因素。對于這些應用來(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(zhù)一個(gè)通道上的1V信號會(huì )溢開(kāi)，并在相鄰通道上變成1mV的信號。請記住，開(kāi)發(fā)測試系統的開(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)之間及相鄰通道之間的隔離越高，通過(guò)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(kāi)關(guān)卡上也會(huì )出現這種電流。最大電流是由于機電繼電器中有限的線(xiàn)圈至觸點(diǎn)阻抗引起的。無(wú)論是哪種類(lèi)型的繼電器，開(kāi)關(guān)卡上的靜電、壓電和電氣化學(xué)現象也會(huì )產(chǎn)生偏置電流。

　　例如，在對晶圓和單個(gè)器件進(jìn)行半導體參數測試期間進(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)，低偏置電流是一項相當重要的技術(shù)指標。進(jìn)行半導體C-V特性測量時(shí)，偏置電流也很重要。