对于ATE测试仪器仪表,典型测试设备系统设计

亚德诺半导体 发表于 2018-07-16 09:21:53 收藏 已收藏
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对于ATE测试仪器仪表,典型测试设备系统设计

亚德诺半导体 发表于 2018-07-16 09:21:53

开关功能是所有电子测试仪器仪表中的一项基本关键功能。由于待测器件(DUT)的复杂性提高,通道/引脚数量和功能增加,因而测试类型和所需测试数量也随之增加。并且每个器件评估需要进行数百项测试,特别是在自动测试设备(ATE)中,因此测试速度非常重要。

对于ATE测试仪器仪表,典型测试设备设置的高级别方框图如图1所示。

图1. 连接到待测器件的典型ATE测试系统,使用指定的开关

在测试设备外部,可能还需要辅助开关功能,特别是在器件接口板 (DIB) 上,它有时也被称为测试接口单元(TIU)。图 2显示用于待测器件的ac/RF测试设置的此类功能和开关示例。在待测器件的测试板上,通常需要信号滤波、放大和校准路径,以提供足够的测试灵活性,从而改进测试系统性能,例如最大程度地降低本底噪声、减少印刷电路板 (PCB) 的损耗。

图2. 显示开关功能复杂性的AC/RF DIB示例

使用的开关类型取决于信号类型和所需性能。很多高性能固态开关也用于 ATE 测试设备。但是,当 dc PMU 信号和高速数字/RF 信号需要在共同测试路径上传输,而且只能产生很小的信号损失和失真时,仍然需要大型 EMR 开 关。但是,EMR存在一些局限性。它们体积大,驱动速度慢,使用寿命也非常有限,从布线的角度来看,很难设计到 PCB 中,需要外部的高功率驱动器电路,返工复杂繁琐。

 MEMS 开关优势详解

MEMS 开关技术

ADI 的MEMS开关既具备EMR的优点,同时尺寸大幅缩小,而且还提高了RF额定性能和使用寿命。有关MEMS开关技术的详细讨论,请参见“ADI革命性 MEMS开关技术基本原理”。在测试仪器仪表中,开关尺寸非常重要,可决定在测试设备仪器电路板或待测器件接口TIU板上能够实现的功能和通道数。图3显示ADGM1304 0Hz/dc至14 GHz带宽、单刀四掷(SP4T) MEMS开关,被放置在典型的3 GHz带宽双刀双掷 (DPDT) EMR之上。就体积差异来看,尺寸可缩小90%以上。

图3. ADGM1304 5 mm × 4 mm × 0.95 mm LFCSP封装 (与典型RF EMR进行比较)

除了 MEMS 技术的物理尺寸优势之外,MEMS 开关的电气和机械性能也具有很大优势。表 1 显示ADGM1304和 ADGM1004器件的一些关键规格,与典型的更高频率单刀掷 (SPDT) 8 GHz EMR 进行比较。 ADGM1304 和 ADGM1004器件具有出色的带宽、插入损耗和切换时间,使用寿命为 10 亿个周期。高带宽是驱动开关进入新应用领域的关键。低功耗、低电压、集成电源的驱动器是 MEMS 开关的另外几大关键优势。ADGM1004具有较高的静电放电(ESD)额定值,人体模型(HBM)的 ESD 额定值为 2.5 kV,电场感应器件充电模型(FICDM)的 ESD 额定值为 1.25 kV, 从而进一步增强了易用性。

表 1. ADGM1304和ADGM1004 SP4T MEMS 开关与典型 8 GHz SPDT EMR 规格比较

图4显示ADGM1304 SP4T MEMS开关的插入损耗和关断隔离,与测试仪器仪表中常用的 DPDT 3 GHz EMR 进行比较。 图 4 显示了MEMS 开关相对于EMR 的信号带宽优势。

图4. ADGM1304和3 GHz DPDT EMR的插入损耗与频率

MEMS 开关应用示例过去,要在ATE测试设备中实现dc/RF开关功能,必须使用 EMR开关。但是,由于存在以下问题,使用继电器可能会限制系统性能: 
  1. 继电器开关的尺寸较大,必须遵守“禁区”设计规则,这意味着它要占用很大面积,缺乏测试可扩展性。

  2. 继电器开关的使用寿命有限,仅为数百万个周期。

  3. 必须级联多个继电器,才能实现需要的开关配置(例如,SP4T配置需要三个SPDT继电器)。

  4. 使用继电器时,可能遇到PCB组装问题,通常导致很高的PCB返工率。

  5. 由于布线限制和继电器性能限制,实现全带宽性能可能非常困难。

  6. 电器驱动速度缓慢,为毫秒级的时间量级,从而限制了测试速度。

图5至图7显示了MEMS开关如何消除这些限制,增强其在 ATE应用中的价值。图5和图6显示了典型的dc/RF开关扇出应用原理图,分别使用 EMR 开关以及 ADGM1304 或 ADGM1004 MEMS开关。

图5. 示例 DC/RF 扇出测试板原理图,九个 DPDT 继电器的解决方案

图6. 示例DC/RF扇出测试板原理图,五个ADGM1304或ADGM1004 MEMS开关的解决方案

图7. DC/RF扇出测试板的视觉比较,16:1多路复用功能,使用九个EMR开关(左)和五个MEMS开关(右)

图7显示了实现这两个原理图的视觉演示PCB的照片。该演示中使用扇出16:1多路复用功能。 图5中的继电器为DPDT EMR继电器。需要九个DPDT继电器和一个继电器驱动器IC,来实现18:1多路复用功能(八个 DPDT继电器只能产生14:1多路复用功能)。物理继电器解决方案显示在图7左侧,该图说明了继电器解决方案占用了多大的面积、保持布线连接之间的对称如何困难,以及对驱动器IC的需求。

图6和图7右侧显示了相同的扇出开关功能,仅使用五个 ADGM1304或ADGM1004 SP4T MEMS开关,因而得以简化。从图6和图7右侧可看出,占用PCB面积减小,开关功能的布线复杂性降低。按面积计算,MEMS开关使占用面积减少68%以上,按体积计算,则可能减少95%以上。

ADGM1304和ADGM1004 MEMS开关内置低电压、可独立控制的开关驱动器;因此,它们不需要外部驱动器 IC。由于MEMS开关封装的高度较小(ADGM1304的封装高度为 0.95 mm,ADGM1004的封装高度为1.45 mm),因此开关可以安装在PCB的反面。较小的封装高度增大了可实现的通道密度。图8显示了另一个测试设备开关使用示例。该图显示连接高速或RF待测器件的测试接口的典型原理图,使用EMR作为开关元件。在本例中,评估电子设备需使用高速RF信号和数字/DC信号。

图8. 示例RF和数字/DC DIB,使用14个EMR开关

图8所示的解决方案使用继电器作为开关解决方案。需要14 个SPDT继电器来实现带通滤波器选择、数字信号路由、DC 参数测试功能。需要级联继电器。使用MEMS开关的等效解决方案如图9所示。图9显示使用 MEMS开关时功能增强型测试接口简化设计。此设计仅需六个ADGM1304/ADGM1004开关,从而显著降低了布线复杂性和占用电路板面积。整体而言, ADGM1304 或 ADGM1004开关的SP4T配置可提供更多功能通道,并实现更多数字和DC参数测试功能:使用MEMS开关可实现八种功能,而使用继电器仅实现四种功能。MEMS开关具有 14 GHz宽带宽、0 Hz/dc工作频率、小尺寸封装和低电压控制特性,这种解决方案更加灵活,延长了使用寿命,减小了占用面积,能够同时实现高精度高速数字信号路由和较宽带宽的RF信号路由。

图9. 简化和增强的RF和数字/DC DIB,使用六个MEMS开关

随着器件复杂性和测试要求提高,从最佳性能和空间效率的角度来看,实现ATE解决方案的难度很大。由于DC/数字和RF功能现在成为普遍要求,开关也成为ATE自动测试解决方案的必不可少的部分。ADI 的 MEMS开关技术独树一帜,与传统的RF继电器解决方案相比,它提升了测试功能和性能,而且占用的 PCB 面积更小。ADGM1304和 ADGM1004 SP4T MEMS开关具有精密 DC 性能和宽带 RF 性能,采用小尺寸SMD封装,驱动功率要求较低,使用寿命长,ESD可靠性增强。这些特性使得ADI公司的MEMS开关技术成为所有现代ATE设备的理想通用开关解决方案。

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