混合信號測試的開關(guān)系統(tǒng)優(yōu)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(yīng)用中，泄漏電容是一個(gè)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(gè)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(gè)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。

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(jì)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?yàn)樵谶@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(gè)激勵信號，等待一小段時(shí)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(diǎn)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(shí)間和釋放時(shí)間的限制。動作時(shí)間是從向線圈加電到觸點(diǎn)穩(wěn)定之間的時(shí)間。因此，動作時(shí)間包括觸點(diǎn)回跳時(shí)間。釋放時(shí)間與動作時(shí)間是對應(yīng)的，它是從線圈掉電到觸點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間，也包括回跳時(shí)間。

系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間中的大部分時(shí)間與繼電器回跳時(shí)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(shí)間各不相同，通常只相差數(shù)毫秒。有時(shí)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(diǎn)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(shí)間。

固態(tài)開關(guān)的使用：標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(shí)間對于某些應(yīng)用來講綽綽有余。但是，在測試時(shí)間牽涉到成本問題的生產(chǎn)應(yīng)用中，切換時(shí)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(shí)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(shí)間，同時(shí)可以提高測試吞吐能力。

固態(tài)繼電器的另一個(gè)優(yōu)勢是可靠性。固態(tài)繼電器的開關(guān)壽命差不多是機(jī)電繼電器開關(guān)壽命的100倍。優(yōu)質(zhì)機(jī)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(gè)缺點(diǎn)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(shí)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(shí)際上會使這種低電阻測量失效。

可采用的一個(gè)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(gè)通道，而不是一個(gè)通道。一個(gè)通道用于源出電流，另一個(gè)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(jī)電或簧片繼電器只能測量數(shù)十毫歐的觸點(diǎn)電阻，在使用雙線測量法進(jìn)行低電阻測量時(shí)，這種方法更具優(yōu)勢。

其他穩(wěn)定時(shí)間問題：除機(jī)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(jī)械繼電器的觸點(diǎn)開放或閉合時(shí)，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(diǎn)的機(jī)械釋放或閉合、觸點(diǎn)至觸點(diǎn)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(shí)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(shí)間比其他信號要長。一般來說，待測器件輸出信號的上升時(shí)間被定義為當(dāng)激勵信號瞬間從零上升到某個(gè)固定值時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間的規(guī)格參數(shù)只是確定一個(gè)測量序列總測度時(shí)間的第一步。控制開關(guān)卡的主機(jī)或切換儀器也會產(chǎn)生一些開銷，該時(shí)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(jì)的不同而有所不同，但一些切換儀器和主機(jī)具有指示繼電器何時(shí)閉合的顯示，從而提供一些表示一個(gè)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(jì)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)?rdquo;及“開關(guān)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。