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 №3 « Природа электромагнитных влияний »
Автор - Чермошенцев С.Ф.
Казань 2008

2. Природа электромагнитных влияний
1.Природа электромагнитных влияний и пути их передачи.
2.Источники электромагнитных помех.
3.Электрически «короткие» и «длинные» линии связи. Погонные задержки
сигналов в межсоединениях: кабель, витая пара, плоский кабель, проводник МПП и т.д.
4.Методы повышения ЭМС устройств ЭС.
5.Методы конструирования межсоединений СБИС и МПП для повышения ЭМС.
6.Рекомендации по снижению уровней электромагнитных помех.

3. 1. Природа электромагнитных влияний и пути их
передачи.
Модель электромагнитного влияния, показанная на рис. 1.1, имеет ограниченное
значение. Чтобы иметь возможность целенаправленно спланировать ЭМС системы,
должны быть известны:
– электромагнитная обстановка (характеризующаяся амплитудными значениями
напряжений и токов источника помех, напряженностями поля, частотными спектрами,
крутизной фронтов);
механизм связи, например, характеризующийся коэффициентами затухания или
передаточными функциями;
восприимчивость, или чувствительность приемника помех, характеризующаяся
пороговыми значениями помех в частотной и временной областях.

4. В то время как источники и приемники помех сравнительно легко могут быть
охарактеризованы посредством измерения их излучений или пороговых значений
помех, идентификация включенных между ними механизмов связи требует хорошего
понимания теории электромагнитного поля, электротехники, и большого опыта в
области
практической
предусмотренных
схемотехники.
конструктором
путях
Речь
часто
передачи,
идет о паразитных, не
например,
через
емкости
и
индуктивности, которые часто проявляются лишь в виде вызванных ими электрических
влияний.
В зависимости от среды распространения и удаления от источника помехи
достигают приемного электрического контура различными путями и их комбинациями. К
примеру, электромагнитные помехи называют поступающими по проводам, если они
проникают в приемник через одну или несколько линий, подходящих к приемнику, либо
через пассивные элементы. Токи, текущие по оплетке кабелей, и цепь питания
обусловливают гальваническую связь (рис. 1.8). Между передатчиком помехи и
приемником энергия помехи может переноситься посредством связи через поле или
излучения. Так, электромагнитное влияние может возникнуть в токовом контуре, но
затем распространиться в виде электромагнитного поля или излучения и, наконец,
появиться в проводах других контуров как помеха.

5. 2. Источники электромагнитных помех.
Источники электромагнитных помех могут быть естественного или искусственного
происхождения. Первые мы должны принять как данные природой, последними можно
управлять путем дисциплинированного использования электромагнитного спектра и
местного ограничения преднамеренно излучаемой электромагнитной энергии. В
зависимости от того, возникают ли электромагнитные влияния при преднамеренном
производстве и применении электромагнитных волн или они являются паразитными и
имеют мало общего с первичной функцией источника, различают функциональные и
нефункциональные источники помех.

6. Рис. 1.8. Механизмы связи электромагнитных влияний
Функциональные источники – это прежде всего радио- и телепередатчики, которые
распространяют электромагнитные волны через передающие антенны в окружающую
среду в целях передачи информации. К этой группе относятся также все устройства,
которые излучают электромагнитные волны не для коммуникативных целей, например,
генераторы высокой частоты для промышленного или медицинского применения,
микроволновые печи, устройства радиоуправления и т.д.

7. Нефункциональные источники – автомобильные устройства зажигания, сварочное
оборудование, электрический транспорт, проводные линии и компоненты электронных
узлов, электрические разряды, коммуникационные процессы в сетях высокого напряжения,
разряды статического электричества, быстроменяющиеся напряжения и токи при
технологическом использовании мощных импульсов и т.д.
Источники электромагнитной энергии классифицируются по картине их проявления в
диапазоне частот, иными словами, по излучаемому ими высокочастотному спектру.
Различают узкополосные и широкополосные источники (рис. 1.9). Сигнал считается
широкополосным, если
его
спектр простирается на ширину полосы, большую, чем
ширина полосы определенной приемной системы, и узкополосным, если его спектр (ширина
спектральной линии) меньше ширины полосы приемника.

8. 3. Электрически «короткие» и «длинные» линии связи.
Погонные задержки сигналов в межсоединениях:
кабель, витая пара, плоский кабель, проводник МПП и
т.д.
При анализе электромагнитных процессов в межсоединениях ЭС обычно
различают электрически «короткие» и электрически «длинные» линии связи.
Классификация
линии tз
эта
основана
на
соотношении между задержкой сигнала в
и длительностью фронта импульса tфр. При tфр>>tз межсоединения
определяют как электрически "короткие" с
tз>>tфр рассматривают
как
"длинные"
сосредоточенными параметрами, а при
линии
с
распределенными
параметрами. Однако чаще для оценки электрической длины пользуются более
конкретными соотношениями: если выполняется условие
2tз > (0,3 - 0,4)tфр,
(1.1)
то линия электрически "длинная". В противном случае линия электрически
"короткая".
Соотношение (1.1) выполняется для межсоединений, размещенных в слоях
металлизации СБИС и в линиях связи между СБИС в МПП. В табл. 3 [108, 189]
приведены погонные задержки сигналов для некоторых распространенных видов
межсоединений ЭС.

9. Таблица 3
Погонные задержки сигналов для некоторых видов межсоединений
Вид межсоединения
Погонная задержка, нс/м
Одиночный проводник
3,3
Коаксиальный кабель РК
5,2
Коаксиальный кабель ИКМ
4,5
Витая пара
6,0
Плоский кабель
5,0
Проводник МПП
5,9

10. 4. Методы повышения ЭМС устройств ЭС.
Традиционно [162, 329] приводятся три группы методов повышения ЭМС ЭС на
ИС:
1. Методы
усовершенствования
ЭС
в
процессе
их проектирования и
изготовления. При этом решаются две основные задачи:
а) повышение устойчивости элементов ЭС к электромагнитным помехам;
б) уменьшение
амплитуды
и
длительности
электромагнитных помех,
создаваемых самими элементами ЭС при переключении.
2. Методы
конструирования
межсоединений,
монтажа и компоновки ЭС,
обеспечивающие уменьшение уровня перекрестных помех, малые отражения сигналов
от несогласованных нагрузок и неоднородностей, малое затухание и искажение
полезного сигнала при включении распределенных вдоль линии нагрузок, уменьшение
паразитных связей между схемами через цепи питания и заземления и т. д. В основе
этих методов конструирования ЭС
лежит
рациональная разводка
конструктивов с учетом помехоустойчивости применяемых элементов.
топологии

11. Уровень электромагнитных помех в конструктивах снижают с помощью введения
экранирующих плоскостей между сигнальными слоями, одновременно выполняющих
роль шин земли. Конструкция межсоединений выбирается такой, чтобы их волновое
сопротивление по величине было ближе к входным и выходным сопротивлениям
применяемых элементов схем.
3. Методы
Запись
стробирования схем в процессе обработки информации в ЭС.
информации
производится
в
конце каждого такта после завершения
переходных электромагнитных процессов. При этом резко уменьшается вероятность
ложного срабатывания.
К этой же группе относятся структурные методы повышения помехоустойчивости.
В них вводятся дополнительные
логические связи или проводится 2 – 3-кратное
решение задачи с последующим сравнением результатов.
Однако
методы
группы уменьшают быстродействие и увеличивают число элементов схем в ЭС.
этой

12. 5. Методы конструирования межсоединений СБИС и МПП для
повышения ЭМС.

13. 6. Рекомендации по снижению уровней электромагнитных
помех.
Рекомендации
1.
ориентированы на снижение уровней электромагнитных помех:
шаг размещения параллельно расположенных проводников должен составлять для
двухслойной
платы
2,5-3,75
мм,
а
для
МПП
1,25-2,5
мм
(ТТЛ ИС);
2.
сигнальные
проводники
в
смежных
слоях
размещают
под
углом
90
или 450;
3.
4.
Методы конструирования межсоединений ЭС
значение допустимой длины двух параллельных сигнальных межсоединений
ограничивать
проводников
56 – 85 мм
больше
двух,
(ИС
то
серии
531),
приемлемое
а
если
значение
число параллельных
длины
параллельных
проводников выбирать меньше 1/3 их критической длины;
5. нагрузочные резисторы устанавливать на расстоянии до 5–7 см от передающей
микросхемы (ИС серии 500);
6. при длинах межсоединений более 10 см необходимо использовать только
согласованные линии связи (ИС серии 500);

14. 7.
микросхемы должны монтироваться на МПП, имеющие специально выделенные
сетчатые или сплошные слои земли, основного и вспомогательного питания (ИС
серии 500 и 1500);
8.
выдерживать постоянное волновое сопротивление
межсоединения на всем
протяжении, во всех конструктивных модулях, по которым проходит данная связь
(ИС серии 1500);
9.
применять параллельное согласование линий связи резисторами в 50 Ом (ИС серии
1500).
Очевидно, что подобные рекомендации по обеспечению ЭМС, несомненно, полезны
при проектировании межсоединений на конструктивных модулях ЭС, но они не
описывают все возможные варианты защиты от электромагнитных помех и требуют
вначале проведения больших экспериментальных исследований. Рекомендации
также не гарантируют отсутствия опасных уровней электромагнитных помех в
конструктиве, не позволяют оценить величины возможных помех и, следовательно,
осуществить прогноз работоспособности проектируемого ЭС. Для создания же
оптимальной
конструкции
межсоединения, цифрового узла и ЭС необходимо
проводить анализ в каждом конкретном случае.

15. Контрольные вопросы:
1. Что должно быть известно при целенаправленном планировании ЭМС
системы?
2. Поясните природу электромагнитных влияний и пути их передачи.
3. Назовите механизмы связи электромагнитных влияний.
4. Поясните классификацию источников электромагнитных помех.
5. Поясните смысл термина электрически «короткие» и «длинные» линии
связи.
6. Приведите примеры погонных задержек сигналов в конкретных видах
межсоединений ЭС.
7. Охарактеризуйте методы повышения ЭМС ЭС?
8. Поясните методы конструирования межсоединений в ЭС на конструктивных
моделях типа СБИС и МПП для повышения ЭМС.
9. Перечислите рекомендации по проектированию межсоединений в МПП.
10. Назовите рекомендации по проектированию МПП на элементах серии К1500.