AN-1360: ADGM1304和ADGM1004如何增加测试仪器仪表的通道密度和测试功能

简介

本应用笔记探讨 ADGM1304 和 ADGM1004微机电系统(MEMS)开关，以及这些开关在测试设备应用中发挥的积极作用，特别是在自动测试设备(ATE)应用领域。与RF继电器相比，MEMS开关具有小尺寸优势、高宽带射频(RF)性能、dc/0 Hz精密性能以及机械寿命优势，因而在ATE应用中非常重要。

典型信号链和方框图显示了MEMS开关可在哪些应用中使用，与常用的RF继电器相比，MEMS开关可在哪些方面实现增值，包括减少电路板占用面积和改进性能。本应用笔记还讨论在测试设备中使用的常见继电器，并将其性能与MEMS开关进行了比较。

测试仪器仪表中的开关

背景

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。DC电压和电流精度性能测试、混合信号测试、高频率数字测试、RF测试都可能用于单个器件评估，这些测试通常同时进行。由于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。使用的测试类型和信号的复杂性会影响测试硬件架构，以及相关的开关功能。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。通常数字引脚驱动器、参数测量单元(PMU)、电源和相关开关均集成于ATE测试设备内部的单个仪器测试卡。

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。

使用的开关类型取决于信号类型和所需性能。互补性金属氧化物半导体(CMOS)开关、photoMOS 开关、舌簧继电器、机电继电器(EMR)开关、基于砷化镓(GaAs)和绝缘硅片(SOI)的 RF 开关都可用于现代测试设备和器件 TIU 板。

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。而在测试高性能电子设备时，通常必须达到上述测试要求。RF 或高速数字器件通常要经过很多次精密电压和电流DC 测试、高速数字接口测试以及 RF 信号发送/接收测试。这种基于 PMU 的精密测试通常用于待测器件的漏电特性评估，与高速测量相结合，是一种重要的器件性能检查方式。精密测试和高速测试要求通常会带来对高性能 EMR 的使用需求。

EMR 可能存在一些局限性。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。除非使用同轴连接器类型的大型模块化外形 EMR，否则带宽非常有限，可能极大限制可实现的系统性能和系统通道数。

MEMS开关的优势

MEMS技术

ADI公司的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，请参见技术文章“ADI公司的革命性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ADGM13040Hz/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双掷 (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
开关参数	ADGM1304 MEMS	ADGM1004 MEMS	8 GHz EMR（典型值）
开关配置	SP4T	SP4T	SPDT (1 Form C)
工作频率(3 dB)	0 Hz/dc 至 14 GHz	0 Hz/dc至13 GHz	0 Hz (dc)至8 GHz
LFCSP尺寸	4 mm × 5 mm × 0.95 mm	4 mm × 5 mm × 1.45 mm	8.0 mm × 9.4 mm (TO-5)
导通电阻 (R_ON)	1.6 Ω （典型值）	1.8 Ω （典型值）	0.15 Ω（最大值）
导通泄漏	5 nA	5 nA	5 nA
驱动寿命	10亿周期（最小值）	10亿周期（最小值）	1000万个周期（典型值）
开关速度	30 μs （典型值）	30 μs （典型值）	4 ms（最大值）
电源	3.3 V (10 mW = 3.3 V x 2.9 mA), 集成驱动器	3.3 V (10 mW = 3.3 V x 2.9 mA), 集成驱动器	5 V (280 mW)，需要外部驱动器
插入损耗(IL)	0.4 dB（典型值，6 GHz	0.6 dB（典型值，6 GHz）	0.8 dB（典型值，6 GHz）
关断隔离	24 dB（典型值，2.5 GHz）	24 dB（典型值，2.5 GHz）	27 dB（典型值，3.0 GHz）
功率额定值	36 dBm, ±6 V dc	32 dBm, ±6 V dc	1 Amp/28 V dc
ESD额定值，RF端口（HBM；FICDM）	100V; 500V	2.5 kV; 1.25 kV	未指定

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。

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：

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。
继电器开关的使用寿命有限，仅为数百万个周期。
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）
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。
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。
继电器驱动速度缓慢，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。

小结

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公司的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。