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 №2 « ТИПЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ »
Автор - Чермошенцев С.Ф.
Казань 2008
3. 1. Типы электромагнитных помех.
По прогнозу разработчиков ЭС [94], предполагаемое увеличение длительности
машинного цикла ЭС за счет влияния электромагнитных
помех при существующих
технологиях компоновки и числе выводов СБИС 200-600 составляет 15–55%.
Таким
образом,
особенно
остро
проблема ЭМС межсоединений ЭС и
помехоустойчивости элементов возникает при проектировании межсоединений СБИС
(рис. 1.3) и МПП со СБИС (рис. 1.4). В этом случае рассматривают в основном
следующие типы электромагнитных помех [270, 289]:
1. задержки
сигналов
и
искажения
их
формы при распространении по
межсоединениям;
2. отражения сигналов в межсоединениях от несогласованных
неоднородностей;
3. перекрестные помехи между сигнальными межсоединениями
нагрузок и
4. 4. помехи по цепям питания и заземления;
5. электростатический разряд;
6. наводки от внешних электромагнитных полей;
7. электромагнитное излучение;
8. СВЧ - помехи.
5. Задержки сигналов и искажения
их
формы
при
распространении по
межсоединениям обусловлены конечной скоростью распространения сигнала и
нерегулярностями в проводниках.
Отражения вызваны
наличием
электрических
неоднородностей
в
межсоединениях, рассогласованием входных и выходных сопротивлений элементов ИС
с волновым сопротивлением линии.
Перекрестные помехи являются следствием воздействия электромагнитных
полей,
которые
возникают под действием протекающих в межсоединениях токов.
Связанные электромагнитные поля оказывают воздействие на близко расположенные
линии и наводят в них перекрестные помехи.
Помехи по цепям питания и заземления представляют собой токовые выбросы,
возникающие при изменениях состояния логических ИС. Эффективными способами
подавления этих помех являются использование фильтров развязки, шин с низкими
волновыми
сопротивлениями
и
уменьшение
числа
схем,
переключающихся
одновременно.
При импульсном разряде статического электричества в виде искры возникают
переходные напряжения и токи [64, 68], связанные с быстро изменяющимися
электрическими и магнитными полями, которые не только вызывают функциональные
помехи (например, в виде ложного срабатывания ЭС), но и могут привести к
разрушению элементов.
6. Наводки от внешних электромагнитных полей в ЭС подробно исследовались в [65,
77], и борьба с ними сводится к экранированию, учету ряда нормативных рекомендаций
при проектировании конструкций и последующим испытаниям устройств с
использованием имитирующей и регистрирующей аппаратуры.
Электромагнитное излучение от межсоединений ЭС регистрируется на частотах до
1 ГГц, что обусловлено передачей информации в цифровых ЭС в виде
последовательности прямоугольных и трапецеидальных импульсов малой длительности
[34, 229, 230].
СВЧ воздействия обусловлены эксплуатацией ЭС вблизи устройств, использующих
электромагнитные поля СВЧ диапазона [83, 84].
Данные типы электромагнитных помех в межсоединениях современных ЭС
оказывают существенное влияние на основные параметры аппаратуры –
быстродействие и помехоустойчивость. Причем при решении указанных проблем нельзя
обойтись проектными рекомендациями на межсоединения или выборочным анализом
электромагнитных помех в критических цепях. Зачастую невозможно выделить
критические и некритические межсоединения, а линии связи с минимальной
длиной не всегда обеспечивают наилучшие условия функционирования и ЭМС.
В проектировании устройств до СБИС анализ ЭМС ЭС проводился только для
критических цепей, а все остальные возможные опасные ситуации выявлялись на
опытном образце. Затем подстройкой временной диаграммы устройства и изменением
топологии межсоединений эти ситуации устранялись. В устройствах на СБИС подобные
меры неприемлемы.
7. 2 . Абсолютный и относительный уровни помех.
В электромагнитной совместимости [334] среди уровней помех различают
абсолютный и относительный уровни.
Абсолютный уровень. Уровень помех – относительное значение помехи. Верхний
предел допустимых уровней
помех определяют установленные в стандартах
предельные значения. Пороговое значение помехи – наименьшее относительное
значение полезного сигнала, превышение которого в месте приема воспринимается как
помеха. Уровень полезного сигнала – относительное 100%-е значение полезного
сигнала.
Относительный уровень. Интервал помех – разность между уровнями полезного
сигнала и порогового значения помехи, исчисляемая так же, как логарифм отношения
значения полезного сигнала и порогового значения помехи. Интервал допустимых
помех – разность между пороговым значением помехи и значением помехи,
исчисляемая так же, как логарифм
помех.
отношения
порогового действующего значения
8. Приведенные определения пояснены на рис. 1.5. Обычно графики уровней не
параллельны к оси абсцисс. В противоположность абсолютным уровням, отнесенным к
определенной базовой величине (например, мкВ), относительные уровни определяются
как разности уровней.
В
противоположность
аналоговым
системам
обработки
сигналов, в
которых
определение
порогового
значения
помехи
в
соответствии с
требованиями к качеству (помехоустойчивости) может, очевидно, являться предметом
договоренности, цифровые системы отличаются тем, что их работа при значении помех
ниже порогового, зависимого от принятой серии микросхем, вообще не нарушается, а
выше порогового значения нарушается наверняка. При этом следует еще различать
статическую и динамическую помехоустойчивость.
9. 3 . Статическая помехоустойчивость цифровых
элементов.
У цифровых интегральных схем различают статическую и динамическую
помехоустойчивость [44, 80, 162]. Если длительность помехи больше времени
задержки сигнала на элементе, то помехоустойчивость характеризуется статическим
уровнем (рис. 1.6). При расчете параметров электронной схемы должны учитываться
минимальные уровни статической помехоустойчивости низкого L и высокого H
состояний элементов. Они могут быть определены из гарантированных изготовителем
значений UвыхLmax и UвыхHmin.
10. Для состояния L
U
а для состояния Н
U
ПL
ПН
=U
=U
вх L max
вх Н min
−U вых L max
−U
вых H min
,
.
Напряжения значений UвыхLmax и UвыхHmin позволяют однозначно распознать
состояния L и Н.
11. Таблица 1
Минимальные уровни статической помехоустойчивости
некоторых логических микросхем
Схем
а
ТТЛ
Тип
ТТЛШ с малым потреблением
Напряжение
питания, В
5
U ПL ,В
U ПH ,В
0,3
0,7
2
0,2
0,4
4,5
0,8
1,25
6
1,1
1,7
Усовершенствованные ТТЛШ с
малым потреблением
Усовершенствованные ТТЛШ
Быстродействующие
усовершенствованные ТТЛШ
фирмы Fairchild
КМОП
Быстродействующие КМОП
Усовершенствованные КМОП
0,8
4,5
1,25
5,5
КМОП- Быстродействующие КМОП-ТТЛ
ТТЛ
Усовершенствованные КМОП-ТТЛ
3
1,55
5
0,7
2,4
12. В паспортах многих интегральных схем приводятся типовые уровни статической
помехоустойчивости.
Однако
эти
данные
эксплуатации, как, например, ограниченный
учитывают
определенные
условия
температурный диапазон, и поэтому не
смогут привлекаться при разрешении проблем ЭМС.
13. 4 . Динамическая помехоустойчивость цифровых
элементов.
Так
как
приложенный
реальные
к
интегральные
входу полезный
или
схемы
не
мешающий
мгновенно
сигнал,
то
реагируют на
с
уменьшением
длительности импульсов помехи допустимы более высокие их амплитуды. Такое
поведение элементов характеризуется уровнем динамической помехоустойчивости
(рис. 1.7). Однако следует учитывать, что при очень коротких импульсах помехи
большой амплитуды микросхема может быть разрушена термически или в результате
пробоя изоляции. Другими важными параметрами, которые должны учитываться при
выборе логических элементов, являются времена нарастания (передний фронт)
полезных логических сигналов.
14. Чем круче передний и задний фронты сигнала, тем шире его
частотный спектр.
Большие скорости обработки, а следовательно, и тактовые частоты, смещают спектр
помех в сторону более высоких частот.
15. Следствием является существенное обострение проблем взаимных влияний, так
как
емкостные
и
индуктивные
связи
имеют
коэффициенты
передачи,
пропорциональные частоте. Поэтому при анализе электронной схемы, учитывающей
влияние помех, скорости переключений и обработки сигналов должны выбираться не
выше, чем это необходимо для решения схемотехнической задачи. В табл. 2 [334]
представлены
времена нарастания и спада, а также
времена задержки сигналов
различных микросхем. При этом нужно учитывать, что эти значения для различных
функций
элементов
при
одинаковой
технологии
могут
очень
сильно
различаться. Кроме того, даже у функционально одинаковых элементов различных
изготовителей имеют место отличия.
17. Контрольные вопросы:
1. Охарактеризуйте основные типы электромагнитных помех.
2. Поясните смысл задержек сигналов, их искажений, отражений и
перекрестных помех в межсоединениях МПП.
3. Охарактеризуйте электростатический разряд.
4. Поясните эффект электромагнитного излучения от ЭС.
5. Охарактеризуйте абсолютный и относительный уровни помех.
6. Поясните смысл статической помехоустойчивости элементов.
7. Поясните смысл динамической помехоустойчивости элементов.
8. Сравните зависимости динамической помехоустойчивости элементов
различных схем.
9. По какой помехоустойчивости (статической или динамической) выбирается
элементная база при проектировании ЭС.
10. Приведите значения динамической помехоустойчивости для ЭСЛ и ТТЛ
элементов.
