1. Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Факультет технической кибернетики и информатики
Направление 210200 «Проектирование и технология электронных средств»
Дисциплина «Информационные технологии электромагнитной совместимости ЭС»
Лекция №1 « ЗАДАЧИ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
СОВМЕСТИМОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ »
Автор - Чермошенцев С.Ф.
Казань 2008

2. Электромагнитная совместимость электронных
средств
1.Введение. Цель, предмет и задачи дисциплины.
2.Электромагнитная совместимость ЭС.
3.Электромагнитные влияния: обратимые и необратимые.
4.Модели электромагнитного влияния: межсистемное, внутрисистемное.
5.Особенности межсоединений ЭС.
6.Параметры кристаллов СБИС.

3. 1. Введение. Цель, предмет и задачи дисциплины.
Современное общественное производство характеризуется все более широким
внедрением цифровых электронных средств во все отрасли хозяйства. В свою очередь,
магистральным направлением развития цифровых электронных средств (ЭС) является
совершенствование элементной базы и цифровых узлов в отношении таких
показателей,
как
степень
интеграции,
быстродействие,
электромагнитная
совместимость (ЭМС), надежность. Достижения в данном направлении способствуют
созданию новых поколений высокопроизводительных цифровых ЭС.
Зарождение, становление и развитие автоматизации проектирования связано с
созданием электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Автоматизация проектирования
служит важным фактором сокращения сроков и повышения качества проектирования,
снижения
удельного
веса
экспериментальных
исследований.
Системы
автоматизированного проектирования (САПР) применяются на всех этапах и уровнях
проектирования цифровых ЭС. В связи с этим важное значение приобретает проблема
развития математического и программного обеспечения САПР. В значительной мере
это относится к этапу конструкторского проектирования цифровых ЭС и, в частности, к
прогнозированию модулей на ЭМС, оптимизации ЭМС межсоединений печатных плат,
компоновке схем ЭС по модулям, размещению элементов на печатных платах и
трассировке межсоединений.

4. Неуклонное увеличение быстродействия и степени интеграции элементной базы
обусловливают изменение методов проектирования и конструирования цифровых ЭС,
учет «новых» требований по ЭМС, ужесточение требований к электрическим
параметрам межсоединений и помехоустойчивости элементов, что, несомненно,
требует разработки более совершенных математических моделей, основанных на
принципах анализа электромагнитных процессов и теории электромагнитного поля.
При разработке цифровых ЭС важная роль отводится исследованию паразитных
электромагнитных процессов в ЭС и оценке их влияния на быстродействие и ЭМС
устройств. На основе известных моделей невозможно получение полной и достоверной
информации о электромагнитных процессах в ЭС с учетом
электрофизических,
конструктивных и топологических параметров плат и проводников. В условиях «новых»
требований ЭМС по учету распределенных паразитных электромагнитных эффектов в
печатных платах и росту плотности компоновки цифровых узлов необходимо
существенное расширение пределов сложности
исследуемых объектов на основе
повышения эффективности решения задач анализа и оптимизации ЭМС, компоновки,
размещения и трассировки по таким показателям, как качество проектных решений,
затраты машинного времени и памяти.

5. В решение проблемы обеспечения ЭМС ЭС внесли большой вклад советские и
российские ученые и специалисты: Волин М. Л., Вуль В. А., Газизов Т. Р., Гурвич И. С.,
Ибатуллин Э. А., Кармашев В. С., Кечиев Л. Н., Кириллов В. Ю., Князев А. Д., Наумов Ю.
Е., Носов В. В., Петров Б. В., Степанов П. В., Файзулаев Б. Н., Чурин Ю. А. и др.; среди
зарубежных ученых известны своими работами в данном направлении Дж. Барнс, Р.
Миттра,
Г.
Отт,
Д.
Уайт,
Э.
Хабигер,
Р.
Харрингтон,
А.
Шваб.
Однако, несмотря на достаточно широкое освещение проблемы ЭМС ЭС и, в частности,
печатных плат для них, большинство работ не отвечает требованиям настоящего
времени по следующим основным причинам: отсутствуют модели для анализа ЭМС ЭС
со сверхбыстродействующей элементной базой; не решены задачи оптимизации ЭМС
межсоединений
печатных
плат;
не
разработаны
алгоритмы
для
трассировки
межсоединений печатных плат, размещения элементов на платах и компоновки схем
ЭС
по
модулям,
учитывающие
критерий
ЭМС.
Проблемы теории автоматизированного проектирования и создания САПР ЭС носят
междисциплинарный характер.

6. В исследование этих проблем значительный вклад внесли следующие ученые и
специалисты: Абрайтис Л. Б., Вишнеков А. В., Зайцева Ж. Н., Норенков И. П.,
Овчинников В. А. Результаты в области разработки генетических и эволюционных
алгоритмов представлены в работах
Батищева Д. И., Коровкина Н. В.,Курейчика В.М.
Методы и подходы повышения эффективности исследования ЭМС
цифровых ЭС,
сформировавшиеся в настоящее время, основаны на опыте и интуиции разработчика, на
предварительном ограничении разнообразия приемлемых топологических конфигураций
межсоединений, на построении геометрических зон влияния проводников, на адаптации
математической модели устройства к возможностям средств оценки выходных
характеристик,
на
построении
приближенной
факторной
электромагнитной связи между проводниками, на основе метода
модели
взаимной
событийно-
логического моделирования и декомпозиционного подхода. Однако данные методы и
подходы
не
эффективны
при
решении
проблемы
ЭМС
цифровых
ЭС.
Таким образом, актуальность проблемы ЭМС обусловлена современными тенденциями
развития цифровых ЭС, и для ее решения требуется разработка эффективного
инструмента
Учебное
проектирования
пособие
состоит
из
введения
ЭС.
и
шести
глав.

7. В первой главе рассмотрено понятие электромагнитной совместимости технических
средств, модели влияния и механизмы связи между источником и приемником помех,
структура,
конструкция
и
организация
межсоединений
ЭС,
построенных
с
использованием сверхбыстродействующих элементов, и отмечены особенности данных
межсоединений.
Проведена
классификация
типов
электромагнитных
помех,
рассмотрена природа их возникновения и конструктивные методы повышения ЭМС
устройств.
Показано, что задержки сигналов, их искажения, отражения, перекрестные помехи,
статическое электричество, внешние электромагнитные помехи и электромагнитное
излучение оказывают наиболее существенное влияние на основные параметры
цифровых
ЭС
на
основе
печатных
плат
–
ЭМС
и
быстродействие.
Проведено сравнение 35 известных САПР, подсистем САПР, пакетов прикладных
программ и отдельных программ, способных частично анализировать ЭМС различных
элементов и конструктивов ЭС, и рассмотрены их возможности, особенности и
недостатки. Выявлено исключительное значение по учету “новых” требований ЭМС,
решению проблемы ЭМС цифровых ЭС.

8. Вторая глава посвящена внутриаппаратурной ЭМС цифровых ЭС. С целью разработки
и
исследования
межсоединений
методов
печатных
и
алгоритмов
плат,
анализа
учитывающих
электрических
особенности
параметров
конструкций
плат,
проанализированы методы непосредственного определения емкостей, методы на
основе расчета электростатических полей и методы анализа индуктивных параметров
межсоединений. Предложены математические модели для определения емкостных и
индуктивных параметров межсоединений. Для решения задач расчета электро- и
магнитостатических полей структур плат разработан пакет программ на базе метода
конечных элементов. Рассмотрены области применимости данных подходов, оценки
эффективности
Проанализированы
электромагнитные
и
точностные
основные
процессы
методы
в
решения
межсоединениях,
характеристики.
уравнений,
и
показано,
описывающие
что
наиболее
универсальным методом, позволяющим анализировать межсоединения с потерями и без
потерь с нелинейными и произвольными нагрузками за приемлемое машинное время,
является метод пошагового продвижения во времени. С целью применения данного
метода к программному комплексу
ПА-9 разработаны компонентные модели RC,
RL и RLC-типа, позволяющие учитывать распределенные паразитные электромагнитные
эффекты в проводниках при анализе задержек сигналов, их искажений, отражений и
перекрестных помех. Реализованы универсальные модели межсоединений на основе
выполнения процедуры внутреннего итерирования.

9. Для повышения эффективности анализа межсоединений печатных плат разработан
формализованный подход фрагментации межсоединений на основе экспертной стратегии
(учет
“топологической
критических
разряженности”),
фрагментов
межсоединений
заключающийся
в
общей
в
выделении
топологии
наиболее
конструктива
и
последующем анализе лишь данных фрагментов. С целью дальнейшего снижения
размерности задачи анализа межсоединений предложен подход по учету “временной
разреженности” фрагментов проводников или поиску наиболее неблагоприятных
сочетаний входных сигналов, приводящих к перекрестным помехам наибольшей
величины, основанный на базе единого входного языка Пролог и универсальной
программы.
Разработаны математическая модель и программа для анализа импульсных помех на
шине земли (питания) многослойных печатных плат на основе метода граничных
элементов.
Третья глава посвящена исследованию электромагнитного взаимодействия цифровых
ЭС с окружающей средой. При изготовлении и применении ЭС возникает статическое
электричество, которое может разряжаться непосредственно на выводы, корпус
интегральной схемы, межсоединения на печатной плате, а также оказывать косвенное
влияние через паразитное потокосцепление между контурами устройства и печатной
платы.

10. Предложены математические и компонентные модели к программному комплексу ПА-9
для анализа влияния статического электричества на цифровые элементы печатных плат.
Оценивается
адекватность
данных
моделей.
Приводится
сравнение
уровней
динамической помехоустойчивости ЭСЛ, ТТЛ и КМОП элементов с помехой при
непосредственном
и
косвенном
разряде
статического
электричества.
Четвёртая глава посвящена вопросам ЭМС при конструировании цифровых ЭС с
обеспечением их работоспособности в условиях воздействия электромагнитных полей
как на цифровой узел в целом, так и на отдельные межсоединения и элементы.
Рассматриваются методы защиты ЭС от внешнего электромагнитного поля: структурнофункциональные,
противофазных
схемотехнические
и
синфазных
и
помех.
конструктивные.
Формулируются
Приводятся
правила
понятия
рационального
конструирования межсоединений печатных плат. Предлагаются математические модели
и программа для анализа влияния внешнего электромагнитного поля на межсоединения
печатных плат, а именно для исследования экранирующих свойств ЭС и анализа
восприимчивости межсоединений печатных плат к внешним электромагнитным помехам.

11. В пятой главе рассматривается проблема электромагнитного излучения от ЭС, которая
известна специалистам на протяжении ряда лет. В данной проблеме классифицируется
три аспекта: 1) ЭМС; 2) защиты информации; 3) биологический. Рассматриваются
методы анализа электромагнитных излучений от ЭС: аналитические, численные,
экспериментальные. Проводится сравнение известных программных систем для задач
анализа
электромагнитного
излучения.
Предлагаются
математические
модели
и
программа для анализа электромагнитного излучения от межсоединений печатных плат
на основе метода диполей Герца. Приводятся графики зависимостей электромагнитного
излучения от межсоединений печатных плат в зависимости от частоты сигнала,
диэлектрической проницаемости платы, длины межсоединений и т.д., а также сравнение
последних результатов с анализом методом моментов и методом конечных элементов.
Пятая глава посвящена оптимизации ЭМС межсоединений цифровых ЭС. Формулируется
цель оптимизации, описываются методы, критерии оптимизации и функция качества.
Предлагается
однокритериальная
оптимизация
внутриаппаратурной
ЭМС
и
многокритериальная оптимизация ЭМС межсоединений печатных плат цифровых ЭС на
основе генетических алгоритмов.
Предложен многопараметрический генетический
алгоритм. Приводятся примеры по оптимизации внутриаппаратурной ЭМС и ЭМС
межсоединений печатных плат цифровых ЭС генетическими алгоритмами и их сравнение
с решениями другими методами (минимаксным, градиентным).

12. 2. Электромагнитная совместимость ЭС.
Электромагнитная совместимость – современное понятие [93, 334], обобщающее
возникшую еще в начале развития электротехники и приобретающую в настоящее
время все большое значение проблематику. С появлением электроники и
микроэлектроники резко возросло число как излучающих помехи технических средств,
так и реагирующих на помехи устройств. Это привело к необходимости нормирования
уровней излучаемых помех и помехоустойчивости.
Под электромагнитной совместимостью понимают нормальное функционирование
передатчиков и приемников электромагнитной энергии. Иными словами, энергия
передатчиков достигнет только желаемых приемников, приемники отреагируют только
на сигналы передатчиков по своему назначению, нежелательные взаимные влияния
отсутствуют.

13. Понятия «передатчик» и «приемник» имеют более широкий смысл, чем, например, в
средствах
связи.
Так,
к
передатчикам
электромагнитной
энергии
наряду
с
телевизионными и радиовещательными устройствами относят также электрические цепи
и системы, которые непреднамеренно излучают в окружающую среду влияющую
электромагнитную энергию (так называемые источники помех), например, силовая
электроника, контакты выключателей, электродвигатели, люминесцентные лампы,
атмосферные разряды и т.д. Приемниками электромагнитной энергии наряду с радио- и
телевизионными
устройствами
являются
системы
автоматизации,
автомобильная
микроэлектроника, измерительные и управляющие приборы и регуляторы, электронные
средства, сердечные стимуляторы, биоорганизмы и т.д. Тем самым современное понятие
ЭМС
выходит
далеко
за
рамки
классической
защиты
радиопомех.
Технические средства могут одновременно действовать и как приемники, и как
передатчики.
В
связи
с
этим
можно
упомянуть
промежуточную частоту супергетеродинных приемников, частоту строчной развертки
компьютерных
мониторов,
частоту
таймеров
ЭВМ
и
т.д.
электромагнитной совместимости отдельных технических средств.
Поэтому
говорят
об

14. Закон Российской Федерации “О техническом регулировании” и Технический регламент
“Об электромагнитной совместимости” определяют электромагнитную совместимость
технических
средств
как
“способность
технических
средств
функционировать
удовлетворительно в их электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых
электромагнитных помех другим техническим средствам”. Поэтому техническое средство
считается
помех
совместимым,
не
выше
чувствительностью к
если
оно в качестве передатчика является источником
допустимых, а в качестве приемника обладает допустимой
посторонним
помехоустойчивостью
влияниям,
т.е.
достаточной
или
иммунитетом.
Проблема ЭМС возникает, как правило, прежде всего, у приемников, если нарушается
безупречный
прием
полезного
сигнала,
например,
случайно
поступившей
электромагнитной энергией нарушено или сделано совсем невозможным нормальное
функционирование системы автоматизации. Тогда говорят о наличии электромагнитных
влияний. Работа [334] определяет электромагнитные влияния как «воздействие
электромагнитных величин на технические средства, электрические цепи, приборы,
системы или живые существа».

15. 3. Электромагнитные влияния: обратимые и
необратимые.
Электромагнитные влияния могут проявляться в виде обратимых или
необратимых нарушений. Примером обратимых нарушений является эпизодически
появляющийся треск при включениях и выключениях бытовых электроприборов;
примерами необратимых нарушений служат разрушение электронных компонентов на
печатных платах разрядами статического электричества, пробой изоляции при
грозовых перенапряжениях и т.д.
На практике обратимые влияния различают по их силе:
1) влияния, которые вызывают допустимые нарушения функций;
2) влияния, которые ведут к недопустимым побочным воздействиям либо к
чрезмерной перегрузке.
В целях наглядного выражения возмущающего эффекта для передатчиков и
приемников (поглотителей) помех установили понятия «источник помех»,
«чувствительные элементы». Между ними существует некоторый механизм связи (рис.
1.1). Эта модель малоинформативна и в следующих главах она будет рассмотрена
более детально.

16. В противоположность влияниям между различными системами, которые называют
внешними электромагнитными влияниями, передатчик и приемник могут быть также
частями одной и той же системы. Тогда говорят о внутренних влияниях (рис. 1.2).
Типичными примерами внутренних влияний являются изменения сигналов в соседних
проводниках электронных узлов, изменения тока в проводах электроснабжения и
вызванные ими падения напряжения.

17. 4. Модели электромагнитного влияния:
межсистемное, внутрисистемное.
В противоположность влияниям между различными системами, которые называют
внешними электромагнитными влияниями, передатчик и приемник могут быть также
частями одной и той же системы. Тогда говорят о внутренних влияниях (рис. 1.2).
Типичными примерами внутренних влияний являются изменения сигналов в соседних
проводниках электронных узлов, изменения тока в проводах электроснабжения и
вызванные ими падения напряжения.

18. В каких случаях передатчики и приемники характеризуются как электромагнитно
совместимые, что существенно зависит от вида передатчика или приемника.
Передатчики, которые отдают паразитную электромагнитную энергию в окружающую
среду, считаются совместимыми, если значения напряженности производимого ими
поля на определенном расстоянии не превосходят установленных предельных
значений, т.е. если возможно безупречное функционирование находящегося на этом
расстоянии
приемника в соответствии с его паспортными данными. Приемники
считаются совместимыми, если они в состоянии принимать при электромагнитном
загрязнении
свой
полезный
сигнал с удовлетворительным уровнем помех,
а сами не излучают недопустимых помех (например, мониторы персональных ЭВМ).
Благодаря надлежащим техническим мероприятиям при конструировании
передатчиков (экранирование, ограничение спектра, направленные антенны), путей
коммуникаций (экранирование, фильтрация, топология проводников), приемников
(экранирование, фильтрация, схема) возможно практически во всех случаях достичь
удовлетворительной ЭМС. Однако по экономическим соображениям, если это
технически выполнимо, стремятся вначале к возможно более
высокой
совместимости
передатчиков
(первичные
мероприятия),
а
совершенствованием многочисленных приемников занимаются
лишь во вторую
очередь (вторичные мероприятия). Типичными примерами первичных мероприятий
служат уменьшение влияния сети в выпрямителях путем компенсации или
фильтрации, соответствующая проводка кабелей, экранирование микроволновых
печей. Часто ЭМС достигается лишь совместными мероприятиями, реализованными у
всех компонентов.

19. Соблюдение ЭМС при внутренних влияниях в большинстве случаев можно
доверить изготовителю или пользователю, которые, безусловно, заинтересованы в
работоспособной системе. При внешних электромагнитных влияниях законодатель в
рамках требований защиты от помех предписывает предельные значения допустимых
излучений. Допустимые излучения устанавливаются в результате компромисса,
который должен учитывать как природу передатчиков, так и технические потребности
работающих в данном частотном диапазоне приемников.
Комплексные системы требуют уже на стадии проектирования всестороннего учета
аспектов ЭМС, а также использования способствующих ЭМС компонентов и
мероприятий.
Стремление
к
минимальным
затратам
на ЭМС предполагает подробные знания о возникновении, распространении
и проникновении электромагнитных влияний, которые позволяют заблаговременно
распознать малоочевидные пути этих влияний и избежать чрезмерных затрат на
защиту от помех, на бесполезные мероприятия.
В настоящее время применение субнаносекундных интегральных схем в ЭС
показало [270, 289], что задача обеспечения ЭМС и помехоустойчивости ЭС является
одной из важнейших. Внедрение интегральных схем (ИС), особенно большой и
сверхбольшой степени интеграции, в ЭС приводит к резкому увеличению плотности
компоновки элементов и значительному изменению методов конструирования ЭС.
При этом возрастают требования к
помехоустойчивости ИС, особенно по отношению
к импульсным помехам, а также к конструкции межсоединений.

20. Задача обеспечения ЭМС ЭС является наиболее сложной, если применяются ИС с
высоким быстродействием: эмиттерно-связанной логикой (ЭСЛ) и транзисторнотранзисторные логические (ТТЛ) схемы. В этом случае время переключения элементов
схем (от единиц до долей наносекунд) соизмеримо со временем распространения
сигнала в межсоединениях и длительностью помех, возникающих от них.
Одновременно с ростом быстродействия элементов расширяется частотная
полоса пропускания в активной зоне переключения и уменьшается помехоустойчивость
элементов при воздействии импульсов помех, формируемых в межсоединениях как
сигналами в соседних линиях связи, так и
полями.
В
предъявляется
этих
ряд
внешними
электромагнитными
условиях при конструировании ЭС к межсоединениям
требований,
выполнение
которых
существенно
влияет
на
конструкцию ЭС в целом.
Структура, конструкция и организация межсоединений ЭС,
построенных с
использованием субнаносекундных элементов, в первую очередь должны обеспечивать
ЭМС устройств и высокие скоростные характеристики основной системы
элементов
в
логических
сочетании с технологичностью, надежностью и высокими
экономическими характеристиками устройств.

21. 5. Особенности межсоединений ЭС.
Проектирование межсоединений субнаносекундных ЭС характеризуется рядом
особенностей [289]:
1. значительное повышение быстродействия, увеличение плотности размещения
межсоединений на конструктивах, снижение уровней логических перепадов при
уменьшении времен переключения схем и повышение чувствительности элементов к
электромагнитным помехам;
2. значительную часть площади на конструктивных модулях 1-го и 2-го уровня
занимают межсоединения, например, в сверхбольших интегральных схемах (СБИС) до
80 – 95%;
3. возможности физической реализации межсоединений опережают возможности
выполнения
испытаний
устройств,
в
том
числе на помехоустойчивость.
При проектировании отдельных конструктивов для разработки тестов по их проверке
требуется несколько человеко-лет;

22. 4.использование СБИС и многослойных печатных плат (МПП) со СБИС не
позволяет
конструктору
наблюдать
пути
прохождения
сигнала на физической
реализации машины и, как показал опыт, все пути сигналов (короткие и длинные)
являются потенциально критическими;
5.задаче качественного проектирования помехоустойчивых конструктивов
подчинены этапы компоновки и размещения элементов на модулях;
6.невозможно
изменять
топологию
ИС изготовленных конструктивов и,
следовательно, устранять опасные ситуации в опытном образце устройства;
7.существенно увеличиваются стоимость и сроки разработки аппаратуры, если
анализ помехоустойчивости не проводился, начиная со стадии проектирования;
8.экспериментальные исследования ЭМС модулей на СБИС представляют
значительные
измерений.
трудности
и требуют разработки новых методов и принципов

23. 6. Параметры кристаллов СБИС.
Некоторые из экстраполированных параметров кристаллов СБИС [270, 287],
которые характеризуют межсоединения конструктивов 1-го и 2-го уровней
таковы:
– внутренние задержки вентилей на кристалле ~ 50 пс,
время нарастания сигналов выходных задающих устройств кристалла 100–400
пс,
мощность рассеивания ∼ 5–100 Вт/см2,
– число вводов/выводов на кристалле 200–1000,
– число соединений кристаллов в большой системе 5000–50000,
– работа при низких напряжениях (1–3 В), малый перепад
уровней ~ 0,5 В,
– значительные площади кристаллов.
логических

24. Контрольные вопросы:
1. Поясните предмет, цель и задачи дисциплины.
2. Поясните смысл понятия ЭМС?
3. Как определяют понятие ЭМС технических средств закон РФ «О техническом
регулировании» и технический регламент «Об электромагнитной
совместимости»?
4. Поясните обратимые и необратимые электромагнитные влияния.
5. Приведите примеры обратимых и необратимых электромагнитных влияний.
6. Поясните межсистемные и внутрисистемные электромагнитные влияния.
7. Приведите примеры межсистемных и внутрисистемных электромагнитных
влияний.
8. Кто соблюдает требования ЭМС при внутрисистемных влияниях и каким
образом регламентируются межсистемные электромагнитные влияния
9. Назовите основные параметры кристаллов СБИС
10. Назовите основные особенности проектирования субнаносекундных ЭС.