混合信號(hào)測(cè)試的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)優(yōu)化

　　在研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行混合信號(hào)測(cè)量時(shí)，通常需要開(kāi)關(guān)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境中多個(gè)器件的自動(dòng)化測(cè)試并加快測(cè)試過(guò)程。開(kāi)關(guān)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)高吞吐能力的一種工具，在對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行混合信號(hào)測(cè)量時(shí)尤為重要。

　　然而，針對(duì)這種測(cè)試系統(tǒng)選擇和配置開(kāi)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(huì)導(dǎo)致達(dá)不到最佳速度、測(cè)量錯(cuò)誤、開(kāi)關(guān)壽命縮短及系統(tǒng)成本過(guò)高。因此，測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需了解影響待測(cè)信號(hào)完整性錯(cuò)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(cuò)誤以及可能會(huì)增加測(cè)試系統(tǒng)成本的開(kāi)關(guān)選型問(wèn)題。

　　錯(cuò)誤的常見(jiàn)原因

　　對(duì)于新測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員以及無(wú)法使用帶開(kāi)關(guān)組件的現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)的用戶來(lái)說(shuō)，建議檢查潛在的錯(cuò)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(shù)值，并確定其是否會(huì)影響通過(guò)系統(tǒng)的信號(hào)。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(guī)格。請(qǐng)查看廠商提供的規(guī)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(duì)信號(hào)完整性的影響就越小。大多數(shù)繼電器的開(kāi)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(cè)量。例如，通過(guò)開(kāi)關(guān)繼電器觸點(diǎn)切換5V電源信號(hào)，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?yàn)殡娫吹膬?nèi)部阻抗通常較低，而開(kāi)關(guān)的高阻抗對(duì)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(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(zhǎng)，該電阻通常會(huì)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(huì)在使用數(shù)百萬(wàn)次之后達(dá)到該阻值，這取決于不同的繼電器類(lèi)型(請(qǐng)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(duì)通過(guò)開(kāi)關(guān)的信號(hào)的影響開(kāi)始變大)。

　　表1：各種繼電器的特性。

　　接觸電勢(shì)：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(cè)量時(shí)，接觸電勢(shì)可能相當(dāng)高。根據(jù)不同的觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，接觸電勢(shì)可從數(shù)納伏到1毫伏不等。為了獲得最好的測(cè)量結(jié)果，觸點(diǎn)電阻應(yīng)大幅低于最小的待測(cè)信號(hào)。

　　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(hào)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(wèn)題并非易事。與花費(fèi)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(shè)計(jì)和規(guī)格開(kāi)始系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要簡(jiǎn)單得多，這同樣適用于其他潛在的錯(cuò)誤原因。

　　大多數(shù)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(cè)量?jī)x器中，或插入與單獨(dú)的儀表配合使用的開(kāi)關(guān)主機(jī)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(duì)齊的，以便實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷焊綦x，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(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(huì)就越小。通道至通道隔離的典型值高達(dá)10GW，電容不到100pF，請(qǐng)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(yīng)用中，泄漏電容是一個(gè)重要考慮因素。對(duì)于這些應(yīng)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，意味著一個(gè)通道上的1V信號(hào)會(huì)溢開(kāi)，并在相鄰?fù)ǖ郎献兂?mV的信號(hào)。請(qǐng)記住，開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)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?fù)ǖ乐g的隔離越高，通過(guò)系統(tǒng)的信號(hào)的完整性就越好。

　　偏置電流：即使測(cè)試信號(hào)不存在，開(kāi)關(guān)卡上也會(huì)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(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(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生偏置電流。

　　例如，在對(duì)晶圓和單個(gè)器件進(jìn)行半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試期間進(jìn)行低電平和高阻抗測(cè)量時(shí)，偏置電流就很重要。對(duì)半導(dǎo)體器件和材料進(jìn)行泄漏電流測(cè)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(cè)量時(shí)，偏置電流也很重要。