设计与构建完美的开关测试系统

测试中常常会遇到这样的情况：系统中的开关非常完美，没有信号损失或泄漏；所有的信号以点到点的方式进行传输，没有信号衰减。但是，系统的功能却不正常。这是为什么呢？本文将剖析在测试系统中配置开关时常见的一些错误，并介绍几种有助于避免这些开关错误的正确设计技术。

常见错误的来源

设计者在配置开关测试系统时会出现一些常见的错误，其中大多数错误很容易发现并纠正。下面所介绍的是一些相对容易发现的问题。

继电器开路——继电器或开关在理想的开路状态下，接触点之间的阻值是无穷大的。实际上，其中总是存在一定的有限阻值，关键是要确定这些开路阻值大小，以判断它是否会影响信号在系统内的传输。

继电器闭合——继电器或开关在理想的闭合情况下，触点之间是没有电阻的。实际上，开关总是有很小的闭合电阻。大多数触点都有几个毫欧量级的电阻。这一阻值通常在使用过程中会不断增大。大部分继电器在报废时的接触电阻大约为2Ω左右。即使在这样高的阻值下，继电器仍然能够正常工作，只是它会对通过开关的信号产生较大的影响。

通道间隔离度——来源于相邻通道的串扰和信号泄漏是一个很难解决的问题。采用合适的开关元件能容易地实现正确的设计指标。通道间隔离度是衡量任意两个相邻开关之间电气隔离性能的指标。隔离度越高，通道之间产生的信号串扰或泄漏就越少。典型情况下，通道间的隔离度高于10GΩ，电容低于100pF。在设计开关系统时，我们必须考虑触点间的电阻。

继电器稳定时间——稳定时间是继电器触点停止反跳，形成固定可靠的连接所需的时间，典型的稳定时间为毫秒量级。如果信号的阻抗极高（如很小的电流），那么它可能需要几秒甚至几分钟的稳定时间。稳定时间与对线缆或电路中的杂散电容进行充电的时间直接相关。阻抗越高，电流越小，信号稳定所需的时间越长。

开关及相应布线对信号质量的影响——每种信号都有自身独特的干扰特性，选择合适的布线方法可以减少或消除这些干扰。如果没有使用合适的布线方法，传输的信号将会有所失真。对于高频开关系统，如果在特征阻抗为50Ω的系统中采用75Ω的同轴线缆将会引起信号反射和较差的VSWR（电压驻波比）。

避免开关错误的设计技巧

大规模射频矩阵——随着通信行业的飞速发展，构成不同通信系统的各种电子元件都需要进行大量的测试。这些元件涵盖的范围从有源元件（如RFIC：射频集成电路）到完整的通信系统。射频测试系统中的主要元件可能包括直流偏压源、直流测量射频功率计、网络分析仪、射频信号源和其它一些仪器。实现测试过程的自动化并提高测试的效率需要将射频/微波和低频开关系统集成到测试系统中。射频矩阵是测试系统的一个重要组成部分。通常，当需要将多件测试设备与多个器件相连接时，就需要采用射频矩阵式的开关系统。待测器件的个数以及所需的测试设备的数目通常决定了射频矩阵的规模。乍一看来，实现这种测试系统可能需要很大规模的矩阵，但是通过进一步的分析不难发现矩阵规模可能并没有想象的那么大。

实现射频开关控制有三种射频矩阵。掌握这些矩阵的特性，有利于缩小矩阵规模，提高矩阵的效率。

1．非阻塞矩阵——这种矩阵能够同时连接多个输入/输出的单通路，最高能够支持的通路数为矩阵的输入数，如图1所示。这种矩阵的功能是最灵活的，成本也是最高的。尽管我们关闭多条通路，但只在直流测试系统中是可行的（如将一个连续的偏压加载到多个DUT上）。阻抗匹配问题限制了在射频与微波的开关操作中关闭多条通路的可能性。假设矩阵系统处于测量仪器与DUT之间，确保系统中所有元件的阻抗匹配是非常重要的。为了实现最佳的信号传输性能，源的输出阻抗应该等于开关、线缆和DUT的总阻抗。正确的阻抗匹配能够提高信号完整性。

2．阻塞矩阵——这种矩阵能够实现一个输入与任意一个输出之间的连接，任意时刻矩阵中只有一条信号通路有效，如图2所示。这种矩阵带有一定的局限性，但是对于射频与微波信号而言，传输通路的阻抗必须匹配。一次关闭多条通路会引起反射，从而影响信号的VSWR，导致信号与功率的损耗。因此，阻塞矩阵虽然具有一定的局限性，但在大多数情况下它对于提高信号质量是必需的。

3．全矩阵与子矩阵——这种矩阵能够同时连接一个输入到多个输出，如图3。开关主控机包括信号转化控制的开关卡。开关卡通常设计为1x4的模块，即一个卡上可能包含三个或四个1x4的开关。将这些开关配置在一起可以构成更大规模的矩阵，其中包含更多的行或列，或者同时增大行列数，但是需要在系统的每个输入端配置功率分配器，在输出端配置多路开关。另外，阻抗匹配也很重要。这种结构的优势在于：不需要无端接插头，能够访问所有的通道，各通路具有相似的特性。不足之处包括，需要大量的布线并使用很多同轴继电器。

在高速开关应用中使用固态开关——标准的机电式继电器能够在几个毫秒内从一个状态转换为另一个状态，这一开关速度对于某些应用是足够的。在生产应用中，测试时间是一项重要的成本因素，毫秒级的开关时间就显得太长了。固态继电器（如晶体管、FET等）的开关时间则短得多，通常小于1毫秒。开关时间从几个毫秒减少为几百微秒可节省大量的测试时间，提高测试产能。

固态继电器的另一个优势在于可靠性高。固态继电器的开关寿命是机电式继电器寿命的100倍，达到100亿次，而好的机电式继电器的寿命只有约1千万次。固态继电器的一个不足之处是具有较大的导通电阻，约为数十欧姆，这个高电阻将使双线电阻测量产生测量错误。低电阻测量通常只测量几个毫欧的电阻，如果用这种方法测量电路导通电阻，就会出现问题。避免这一问题发生的方法之一就是采用“黄金通道”或标准通道。这种通道在器件一侧有一个短路装置，当通道闭合时，进行电阻测量，测量结果不包含所有其它通道的电阻。因此，“导通”电阻实际上被归零了。问题是，这种方法仅适用于黄金通道。使用这种方法取决于被测电阻的大小以及所需的精度。

另外一种能够校正这一阻值的方法是四线测量技术，其中使用两个通道而不是一个通道。一个通道连接电流源，另一个通道检测电压，这是测量低电阻的一种标准方法。机电式或簧片式继电器只有几十毫欧的接触电阻，这更有利于实现基于双线方法的低阻测量。

低阻应用的四线开关——类似于接触电阻测量、线缆连通性测试等应用通常涉及低阻开关操作。低阻开关操作（<100Ω）所需的技术一般不同于中高阻开关操作所需的技术。如前所述，在低阻测量中使用四线技术是一种精确的方法。采用四线技术能够消除导线和开关的接触电阻。这种测量技术需要两个通道而不是一个通道，其中每个通道都是一个双极通道。

这些双极通道一般以四线模式成对出现，从而在测量结果中去掉所有的连线与测试导线电阻，这是测量低电阻的标准技术。低电阻开关应用不需要采用矩阵结构，只是开关部分需要一个多路复用器。该多路复用器可以同时使用一个四极开关中的电流源和电压检测通道。矩阵能够实现所有行单元与所有列单元的互连。尽管这种结构对于某些应用具有强大的功能，但是它不适用于低阻应用。如图4所示。

信号的开关控制本身会引起一定的测试系统信号衰减。通过使用本文介绍的一些技术，能够消除或减少某些误差和常见错误。测试工程师有必要掌握系统中使用的信号与开关特性。