混合信号测试的开关系统优化 - 全文

 

　　在研发和生产过程中进行混合信号测量时，通常需要开关系统来实现生产环境中多个器件的自动化测试并加快测试过程。开关系统作为实现测试系统高吞吐能力的一种工具，在对多个器件进行混合信号测量时尤为重要。

　　然而，针对这种测试系统选择和配置开关硬件和软件时有许多潜在的误区。这些误区可能会导致达不到最佳速度、测量错误、开关寿命缩短及系统成本过高。因此，测试系统开发人员需了解影响待测信号完整性错误的常见原因、影响吞吐能力的开关配置、电缆连接错误以及可能会增加测试系统成本的开关选型问题。

　　错误的常见原因

　　对于新测试系统的开发人员以及无法使用带开关组件的现有测试系统的用户来说，建议检查潜在的错误原因。从继电器触点开始检查不失为一个好办法。

　　开路状态触点至触点电阻：在理想的开路继电器或开关中，触点之间的电阻为无穷大。事实上，常常有一些有限的电阻值需要考虑(见图1)。关键是找出开路电阻的数值，并确定其是否会影响通过系统的信号。双通道开关有许多不同类型，每种类型都有各自的绝缘/隔离电阻规格。请查看厂商提供的规格，了解开路状态下的触点至触点电阻。

　　

 

　　图1：开关继电器的绝缘电阻在开路状态下的图示。

　　一般而言，开路状态下的电阻越大，触点之间的泄漏越低，对信号完整性的影响就越小。大多数继电器的开路状态电阻规格介于1Mx和1GW之间，该电阻足以应付大多数应用，尤其是直流测量。例如，通过开关继电器触点切换5V电源信号，由于是开路电阻而基本不会产生的什么影响。这是因为电源的内部阻抗通常较低，而开关的高阻抗对其不产生影响。表1提供了各种继电器的开路触点隔离电阻及其他特性。

　　闭合状态触点至触点电阻：在理想的闭合继电器或开关中，触点之间没有电阻。但在真实世界中，闭合开关有少量的接触电阻，一般为几毫欧姆。大多数新继电器的闭合触点电阻规格不到100mW，这取决于继电器和触点设计。随着使用时间的延长，该电阻通常会增大。大多数继电器在寿命终止时的规格均为2W左右。一般会在使用数百万次之后达到该阻值，这取决于不同的继电器类型(请参见表1)。即使在如此高的电阻下，继电器仍能正常工作(尽管其对通过开关的信号的影响开始变大)。

　　

 

　　表1：各种继电器的特性。

　　接触电势：这是由于采用不同的金属材质以及触点到触点接线端接合点的温度梯度，而在触点接线端之间产生的电压。温度梯度一般是由于通电的继电器线圈产生的耗散功率引起的。进行低电压和电阻测量时，接触电势可能相当高。根据不同的触点设计，接触电势可从数纳伏到1毫伏不等。为了获得最好的测量结果，触点电阻应大幅低于最小的待测信号。

　　通道至通道隔离

　　通道至通道隔离：这种情况与通过开关组件相邻信号通路之间的泄漏与串话干扰有关。诊断由于泄漏和串话干扰引起的问题并非易事。与花费宝贵时间诊断难以琢磨的问题相比，采用正确的开关设计和规格开始系统开发要简单得多，这同样适用于其他潜在的错误原因。

　　大多数开关组件都是印制电路板(PCB)卡，这些板卡被插入开关型测量仪器中，或插入与单独的仪表配合使用的开关主机中。因此，任何两个相邻开关之间的电气隔离都可以不同的方式表示，这取决于该开关卡的使用目的。通常，PCB上的开关通道都是对齐的，以便实现适当的电压隔离，并容纳各种开关及其他元件(比如连接器)的物理尺寸。这种间隔以及PCB的材料可以实现各通道之间某种程度的隔离。隔离程度越高，产生串话干扰或泄漏的机会就越小。通道至通道隔离的典型值高达10GW，电容不到100pF，请参见图2。

　　

　　图2：带分路电容和电阻的通道至通道隔离的图示。

　　在高频应用中，泄漏电容是一个重要考虑因素。对于这些应用来说，隔离通常用dB表示。例如，60dB表示通道至通道的隔离为1,000:1，意味着一个通道上的1V信号会溢开，并在相邻通道上变成1mV的信号。请记住，开发测试系统的开关部分时，也必须考虑开路触点隔离电阻。开路触点之间及相邻通道之间的隔离越高，通过系统的信号的完整性就越好。

　　偏置电流：即使测试信号不存在，开关卡上也会出现这种电流。最大电流是由于机电继电器中有限的线圈至触点阻抗引起的。无论是哪种类型的继电器，开关卡上的静电、压电和电气化学现象也会产生偏置电流。

　　例如，在对晶圆和单个器件进行半导体参数测试期间进行低电平和高阻抗测量时，偏置电流就很重要。对半导体器件和材料进行泄漏电流测量时，低偏置电流是一项相当重要的技术指标。进行半导体C-V特性测量时，偏置电流也很重要。

　　偏置电流指标的范围可从不足1pA到1nA不等，具体值取决于卡的设计和使用目的。生产用于相对较高电平的直流电流和电压切换的开关卡的厂商可能不会提供偏置电流指标，因为在这些应用中，该指标一般都不重要。

　　继电器切换速度：继电器的工作速度对开关型测试系统的吞吐能力有着直接的影响。系统开发人员必须注意继电器的速度指标，以确保获得精确的测量结果。典型的测试方案是向待测器件(DUT)施加一个激励信号，等待一小段时间后，待测试系统和待测器件产生反应并稳定到最终值，最终测量待测器件的响应。如果在系统充分稳定之前测量，测量结果可能不准确。

　　继电器的工作速度是其触点能够可靠工作的开关速度的度量。该速度受继电器的动作时间和释放时间的限制。动作时间是从向线圈加电到触点稳定之间的时间。因此，动作时间包括触点回跳时间。释放时间与动作时间是对应的，它是从线圈掉电到触点达到稳定所需要的时间，也包括回跳时间。

　　系统稳定时间中的大部分时间与继电器回跳时间相关，继电器回跳稳定后，才会在信号通路中建立稳定可靠的连接。不同的继电器，稳定时间各不相同，通常只相差数毫秒。有时候，继电器开关卡有内置延迟电路，用于避免产生与触点回跳引起的问题。此外，一些开关设备甚至具有用户可编程延迟时间。

　　固态开关的使用：标准机电继电器可以在数毫秒内从一种状态切换到另一种状态，如此快的时间对于某些应用来讲绰绰有余。但是，在测试时间牵涉到成本问题的生产应用中，切换时间可能还是太长。固态继电器(例如晶体管，FET)的切换时间更快，通常不到1毫秒。从几毫秒缩短到几百微秒可以节省大量测试时间，同时可以提高测试吞吐能力。

　　固态继电器的另一个优势是可靠性。固态继电器的开关寿命差不多是机电继电器开关寿命的100倍。优质机电继电器的开关寿命差不多是1,000万次，而固态继电器的开关寿命为约100亿次。

　　一个缺点是大约为数十欧姆的固态继电器“导通”电阻。如此高的电阻会导致用双线电阻测量时的测量结果不准确。试图从“导通”电阻测量电路中阻值为几毫欧，功率超过10W的电阻实际上会使这种低电阻测量失效。

　　可采用的一个解决方法是使用所谓的黄金通道或标准通道。该通道是器件端短路的通道。先闭合该通道，进行电阻测量，再从所有其他通道减去该测量值。因此，“导通”电阻基本上被归零。问题是这只适用于黄金通道，不同的通道会略有不同。使用这种方法取决于要测量的电阻值和所需的精度。

　　对该电阻值进行校正的另一种方法是是使用四线(开尔文)测量法，这种测量法使用两个通道，而不是一个通道。一个通道用于源出电流，另一个通道用于感应电压。这是测量低电阻的标准方法。使用机电或簧片继电器只能测量数十毫欧的触点电阻，在使用双线测量法进行低电阻测量时，这种方法更具优势。

　　其他稳定时间问题：除机械问题外，还有与开关的开路和闭合相关的电气问题。机械继电器的触点开放或闭合时，会出现大约几皮库的电荷转移，这会在测试电路中产生电流脉冲。电荷转移是由触点的机械释放或闭合、触点至触点电容以及信号与继电器驱动线路之间的寄生电容引起的。此现象会影响信号稳定时间和信号完整性。

　　另外，还要考虑信号的性质。一些源自待测器件的信号达到稳定所需要的时间比其他信号要长。一般来说，待测器件输出信号的上升时间被定义为当激励信号瞬间从零上升到某个固定值时，待测器件输出信号从其最终值的10%上升到最终值的90%所需的时间。如果信号源自极高阻抗(产生非常低的电流)，则可能需要几秒种甚至几分钟才能稳定。稳定时间与为电缆充电的小电流或电路中的寄生电容直接相关。阻抗越高，电流越低，稳定需要的时间就越长。

　　确保测试系统已经充分稳定是进行精确测量的关键。列出继电器动作时间的规格参数只是确定一个测量序列总测度时间的第一步。控制开关卡的主机或切换仪器也会产生一些开销，该时间是它在测试序列中连接次数命令的函数。它随测试序列的设计的不同而有所不同，但一些切换仪器和主机具有指示继电器何时闭合的显示，从而提供一些表示一个测试序列进行得多快的指标。但是，请记住，测试系统的设计往往会涉及在吞吐能力和精度之间进行折衷。

　　本论文的详细版本额外覆盖了“开关系统架构和拓扑”及“开关测试系统设计折衷”等主题，可从混合信号测试的开关系统优化获得该详细版本。