MEMS 开关优势详解和应用示例-电路图讲解-电子技术方案

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：

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。

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。

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图中所示是用CMOS四锁定D触发器组成的四选一判别电路。

四选一判别电路即那个信号第一到达，且点亮指示灯，封锁所有其它信息，即其它信息来了，也是无效的。