開關功能是所有電子測試儀器儀表中的一項基本關鍵功能。由于待測器件（DUT）的復雜性提高，通道/引腳數(shù)量和功能增加，因而測試類型和所需測試數(shù)量也隨之增加。并且每個器件評估需要進行數(shù)百項測試，特別是在自動測試設備（ATE）中，因此測試速度非常重要。
對于ATE測試儀器儀表，典型測試設備設置的高級別方框圖如圖1所示。
圖1. 連接到待測器件的典型ATE測試系統(tǒng)，使用指定的開關
在測試設備外部，可能還需要輔助開關功能，特別是在器件接口板 (DIB) 上，它有時也被稱為測試接口單元(TIU)。圖 2顯示用于待測器件的ac/RF測試設置的此類功能和開關示例。在待測器件的測試板上，通常需要信號濾波、放大和校準路徑，以提供足夠的測試靈活性，從而改進測試系統(tǒng)性能，例如最大程度地降低本底噪聲、減少印刷電路板 (PCB) 的損耗。
圖2. 顯示開關功能復雜性的AC/RF DIB示例
使用的開關類型取決于信號類型和所需性能。很多高性能固態(tài)開關也用于 ATE 測試設備。但是，當 dc PMU 信號和高速數(shù)字/RF 信號需要在共同測試路徑上傳輸，而且只能產(chǎn)生很小的信號損失和失真時，仍然需要大型 EMR 開關。但是，EMR存在一些局限性。它們體積大，驅(qū)動速度慢，使用壽命也非常有限，從布線的角度來看，很難設計到 PCB 中，需要外部的高功率驅(qū)動器電路，返工復雜繁瑣。
MEMS 開關優(yōu)勢詳解
1、MEMS 開關技術
ADI 的MEMS開關既具備EMR的優(yōu)點，同時尺寸大幅縮小，而且還提高了RF額定性能和使用壽命。有關MEMS開關技術的詳細討論，請參見“ADI革命性 MEMS開關技術基本原理”。在測試儀器儀表中，開關尺寸非常重要，可決定在測試設備儀器電路板或待測器件接口TIU板上能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和通道數(shù)。圖3顯示ADGM1304 0Hz/dc至14 GHz帶寬、單刀四擲(SP4T) MEMS開關，被放置在典型的3 GHz帶寬雙刀雙擲 (DPDT) EMR之上。就體積差異來看，尺寸可縮小90%以上。
圖3. ADGM1304 5 mm × 4 mm × 0.95 mm LFCSP封裝（與典型RF EMR進行比較）
除了 MEMS 技術的物理尺寸優(yōu)勢之外，MEMS 開關的電氣和機械性能也具有很大優(yōu)勢。表 1 顯示ADGM1304和 ADGM1004器件的一些關鍵規(guī)格，與典型的更高頻率單刀擲 (SPDT) 8 GHz EMR 進行比較。 ADGM1304 和 ADGM1004器件具有出色的帶寬、插入損耗和切換時間，使用壽命為 10 億個周期。高帶寬是驅(qū)動開關進入新應用領域的關鍵。低功耗、低電壓、集成電源的驅(qū)動器是 MEMS 開關的另外幾大關鍵優(yōu)勢。ADGM1004具有較高的靜電放電(ESD)額定值，人體模型(HBM)的 ESD 額定值為 2.5 kV，電場感應器件充電模型(FICDM)的 ESD 額定值為 1.25 kV， 從而進一步增強了易用性。
2、MEMS 開關應用示例
過去，要在ATE測試設備中實現(xiàn)dc/RF開關功能，必須使用 EMR開關。但是，由于存在以下問題，使用繼電器可能會限制系統(tǒng)性能：
1、繼電器開關的尺寸較大，必須遵守“禁區(qū)”設計規(guī)則，這意味著它要占用很大面積，缺乏測試可擴展性。
2、繼電器開關的使用壽命有限，僅為數(shù)百萬個周期。
3、必須級聯(lián)多個繼電器，才能實現(xiàn)需要的開關配置（例如，SP4T配置需要三個SPDT繼電器）。
4、使用繼電器時，可能遇到PCB組裝問題，通常導致很高的PCB返工率。
5、由于布線限制和繼電器性能限制，實現(xiàn)全帶寬性能可能非常困難。
6、電器驅(qū)動速度緩慢，為毫秒級的時間量級，從而限制了測試速度。
圖5至圖7顯示了MEMS開關如何消除這些限制，增強其在 ATE應用中的價值。圖4和圖5顯示了典型的dc/RF開關扇出應用原理圖，分別使用 EMR 開關以及 ADGM1304 或 ADGM1004 MEMS開關。
圖4. 示例 DC/RF 扇出測試板原理圖，九個 DPDT 繼電器的解決方案
圖5. 示例DC/RF扇出測試板原理圖，五個ADGM1304或ADGM1004 MEMS開關的解決方案
圖6顯示了實現(xiàn)這兩個原理圖的視覺演示PCB的照片。該演示中使用扇出16:1多路復用功能。 圖5中的繼電器為DPDT EMR繼電器。需要九個DPDT繼電器和一個繼電器驅(qū)動器IC，來實現(xiàn)18:1多路復用功能（八個 DPDT繼電器只能產(chǎn)生14:1多路復用功能）。物理繼電器解決方案顯示在圖7左側，該圖說明了繼電器解決方案占用了多大的面積、保持布線連接之間的對稱如何困難，以及對驅(qū)動器IC的需求。
圖6. DC/RF扇出測試板的視覺比較，16:1多路復用功能，使用九個EMR開關（左）和五個MEMS開關（右）
圖5和圖4右側顯示了相同的扇出開關功能，僅使用五個 ADGM1304或ADGM1004 SP4T MEMS開關，因而得以簡化。從圖5和圖4右側可看出，占用PCB面積減小，開關功能的布線復雜性降低。按面積計算，MEMS開關使占用面積減少68%以上，按體積計算，則可能減少95%以上。
ADGM1304和ADGM1004 MEMS開關內(nèi)置低電壓、可獨立控制的開關驅(qū)動器；因此，它們不需要外部驅(qū)動器 IC。由于MEMS開關封裝的高度較小（ADGM1304的封裝高度為0.95mm，ADGM1004的封裝高度為1.45mm），因此開關可以安裝在PCB的反面。較小的封裝高度增大了可實現(xiàn)的通道密度。圖7顯示了另一個測試設備開關使用示例。該圖顯示連接高速或RF待測器件的測試接口的典型原理圖，使用EMR作為開關元件。在本例中，評估電子設備需使用高速RF信號和數(shù)字/DC信號。
圖7. 示例RF和數(shù)字/DC DIB，使用14個EMR開關
圖7所示的解決方案使用繼電器作為開關解決方案。需要14 個SPDT繼電器來實現(xiàn)帶通濾波器選擇、數(shù)字信號路由、DC 參數(shù)測試功能。需要級聯(lián)繼電器。使用MEMS開關的等效解決方案如圖8所示。圖8顯示使用 MEMS開關時功能增強型測試接口簡化設計。此設計僅需六個ADGM1304/ADGM1004開關，從而顯著降低了布線復雜性和占用電路板面積。整體而言， ADGM1304 或 ADGM1004開關的SP4T配置可提供更多功能通道，并實現(xiàn)更多數(shù)字和DC參數(shù)測試功能：使用MEMS開關可實現(xiàn)八種功能，而使用繼電器僅實現(xiàn)四種功能。MEMS開關具有 14 GHz寬帶寬、0 Hz/dc工作頻率、小尺寸封裝和低電壓控制特性，這種解決方案更加靈活，延長了使用壽命，減小了占用面積，能夠同時實現(xiàn)高精度高速數(shù)字信號路由和較寬帶寬的RF信號路由。
圖8. 簡化和增強的RF和數(shù)字/DC DIB，使用六個MEMS開關
隨著器件復雜性和測試要求提高，從最佳性能和空間效率的角度來看，實現(xiàn)ATE解決方案的難度很大。由于DC/數(shù)字和RF功能現(xiàn)在成為普遍要求，開關也成為ATE自動測試解決方案的必不可少的部分。ADI的 MEMS開關技術獨樹一幟，與傳統(tǒng)的RF繼電器解決方案相比，它提升了測試功能和性能，而且占用的PCB面積更小。ADGM1304和 ADGM1004 SP4T MEMS開關具有精密DC性能和寬帶RF性能，采用小尺寸SMD封裝，驅(qū)動功率要求較低，使用壽命長，ESD可靠性增強。這些特性使得ADI公司的MEMS開關技術成為所有現(xiàn)代ATE設備的理想通用開關解決方案。
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