設計與構建完美的開關測試系統(tǒng)

設計與構建完美的開關測試系統(tǒng)測試中常常會遇到這樣的情況：系統(tǒng)中的開關非常完美，沒有信號損失或泄漏；所有的信號以點到點的方式進行傳輸，沒有信號衰減。但是，系統(tǒng)的功能卻不正常。這是為什么呢？本文將剖析在測試系統(tǒng)中配置開關時常見的一些錯誤，并介紹幾種有助于避免這些開關錯誤的正確設計技術。常見錯誤的來源設計者在配置開關測試系統(tǒng)時會出現一些常見的錯誤，其中大多數錯誤很容易發(fā)現并糾正。下面所介紹的是一些相對容易發(fā)現的問題。繼電器開路——繼電器或開關在理想的開路狀態(tài)下，接觸點之間的阻值是無窮大的。實際上，其中總是存在一定的有限阻值，關鍵是要確定這些開路阻值大小，以判斷它是否會影響信號在系統(tǒng)內的傳輸。繼電器閉合——繼電器或開關在理想的閉合情況下，觸點之間是沒有電阻的。實際上，開關總是有很小的閉合電阻。大多數觸點都有幾個毫歐量級的電阻。這一阻值通常在使用過程中會不斷增大。大部分繼電器在報廢時的接觸電阻大約為2Ω左右。即使在這樣高的阻值下，繼電器仍然能夠正常工作，只是它會對通過開關的信號產生較大的影響。通道間隔離度——來源于相鄰通道的串擾和信號泄漏是一個很難解決的問題。采用合適的開關元件能容易地實現正確的設計指標。通道間隔離度是衡量任意兩個相鄰開關之間電氣隔離性能的指標。隔離度越高，通道之間產生的信號串擾或泄漏就越少。典型情況下，通道間的隔離度高于10GΩ，電容低于100pF。在設計開關系統(tǒng)時，我們必須考慮觸點間的電阻。繼電器穩(wěn)定時間——穩(wěn)定時間是繼電器觸點停止反跳，形成固定可靠的連接所需的時間，典型的穩(wěn)定時間為毫秒量級。如果信號的阻抗極高（如很小的電流），那么它可能需要幾秒甚至幾分鐘的穩(wěn)定時間。穩(wěn)定時間與對線纜或電路中的雜散電容進行充電的時間直接相關。阻抗越高，電流越小，信號穩(wěn)定所需的時間越長。開關及相應布線對信號質量的影響——每種信號都有自身獨特的干擾特性，選擇合適的布線方法可以減少或消除這些干擾。如果沒有使用合適的布線方法，傳輸的信號將會有所失真。對于高頻開關系統(tǒng)，如果在特征阻抗為50Ω的系統(tǒng)中采用75Ω的同軸線纜將會引起信號反射和較差的VSWR（電壓駐波比）。避免開關錯誤的設計技巧大規(guī)模射頻矩陣——隨著通信行業(yè)的飛速發(fā)展，構成不同通信系統(tǒng)的各種電子元件都需要進行大量的測試。這些元件涵蓋的范圍從有源元件（如RFIC：射頻集成電路）到完整的通信系統(tǒng)。射頻測試系統(tǒng)中的主要元件可能包括直流偏壓源、直流測量射頻功率計、網絡分析儀、射頻信號源和其它一些儀器。實現測試過程的自動化并提高測試的效率需要將射頻/微波和低頻開關系統(tǒng)集成到測試系統(tǒng)中。射頻矩陣是測試系統(tǒng)的一個重要組成部分。通常，當需要將多件測試設備與多個器件相連接時，就需要采用射頻矩陣式的開關系統(tǒng)。待測器件的個數以及所需的測試設備的數目通常決定了射頻矩陣的規(guī)模。乍一看來，實現這種測試系統(tǒng)可能需要很大規(guī)模的矩陣，但是通過進一步的分析不難發(fā)現矩陣規(guī)?？赡懿]有想象的那么大。實現射頻開關控制有三種射頻矩陣。掌握這些矩陣的特性，有利于縮小矩陣規(guī)模，提高矩陣的效率。1．非阻塞矩陣——這種矩陣能夠同時連接多個輸入/輸出的單通路，最高能夠支持的通路數為矩陣的輸入數，如圖1所示。這種矩陣的功能是最靈活的，成本也是最高的。盡管我們關閉多條通路，但只在直流測試系統(tǒng)中是可行的（如將一個連續(xù)的偏壓加載到多個DUT上）。阻抗匹配問題限制了在射頻與微波的開關操作中關閉多條通路的可能性。假設矩陣系統(tǒng)處于測量儀器與DUT之間，確保系統(tǒng)中所有元件的阻抗匹配是非常重要的。為了實現最佳的信號傳輸性能，源的輸出阻抗應該等于開關、線纜和DUT的總阻抗。正確的阻抗匹配能夠提高信號完整性。2．阻塞矩陣——這種矩陣能夠實現一個輸入與任意一個輸出之間的連接，任意時刻矩陣中只有一條信號通路有效，如圖2所示。這種矩陣帶有一定的局限性，但是對于射頻與微波信號而言，傳輸通路的阻抗必須匹配。一次關閉多條通路會引起反射，從而影響信號的VSWR，導致信號與功率的損耗。因此，阻塞矩陣雖然具有一定的局限性，但在大多數情況下它對于提高信號質量是必需的。3．全矩陣與子矩陣——這種矩陣能夠同時連接一個輸入到多個輸出，如圖3。開關主控機包括信號轉化控制的開關卡。開關卡通常設計為1x4的模塊，即一個卡上可能包含三個或四個1x4的開關。將這些開關配置在一起可以構成更大規(guī)模的矩陣，其中包含更多的行或列，或者同時增大行列數，但是需要在系統(tǒng)的每個輸入端配置功率分配器，在輸出端配置多路開關。另外，阻抗匹配也很重要。這種結構的優(yōu)勢在于：不需要無端接插頭，能夠訪問所有的通道，各通路具有相似的特性。不足之處包括，需要大量的布線并使用很多同軸繼電器。在高速開關應用中使用固態(tài)開關——標準的機電式繼電器能夠在幾個毫秒內從一個狀態(tài)轉換為另一個狀態(tài)，這一開關速度對于某些應用是足夠的。在生產應用中，測試時間是一項重要的成本因素，毫秒級的開關時間就顯得太長了。固態(tài)繼電器（如晶體管、FET等）的開關時間則短得多，通常小于1毫秒。開關時間從幾個毫秒減少為幾百微秒可節(jié)省大量的測試時間，提高測試產能。固態(tài)繼電器的另一個優(yōu)勢在于可靠性高。固態(tài)繼電器的開關壽命是機電式繼電器壽命的100倍，達到100億次，而好的機電式繼電器的壽命只有約1千萬次。固態(tài)繼電器的一個不足之處是具有較大的導通電阻，約為數十歐姆，這個高電阻將使雙線電阻測量產生測量錯誤。低電阻測量通常只測量幾個毫歐的電阻，如果用這種方法測量電路導通電阻，就會出現問題。避免這一問題發(fā)生的方法之一就是采用“黃金通道”或標準通道。這種通道在器件一側有一個短路裝置，當通道閉合時，進行電阻測量，測量結果不包含所有其它通道的電阻。因此，“導通”電阻實際上被歸零了。問題是，這種方法僅適用于黃金通道。使用這種方法取決于被測電阻的大小以及所需的精度。另外一種能夠校正這一阻值的方法是四線測量技術，其中使用兩個通道而不是一個通道。一個通道連接電流源，另一個通道檢測電壓，這是測量低電阻的一種標準方法。機電式或簧片式繼電器只有幾十毫歐的接觸電阻，這更有利于實現基于雙線方法的低阻測量。低阻應用的四線開關——類似于接觸電阻測量、線纜連通性測試等應用通常涉及低阻開關操作。低阻開關操作（<100Ω）所需的技術一般不同于中高阻開關操作所需的技術。如前所述，在低阻測量中使用四線技術是一種精確的方法。采用四線技術能夠消除導線和開關的接觸電阻。這種測量技術需要兩個通道而不是一個通道，其中每個通道都是一個雙極通道。這些雙極通道一般以四線模式成對出現，從而在測量結果中去掉所有的連線與測試導線電阻，這是測量低電阻的標準技術。低電阻開關應用不需要采用矩陣結構，只是開關部分需要一個多路復用器。該多路復用器可以同時使用一個四極開關中的