8

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2001

Uk³ady scalone mog¹ byæ

Ÿród³em zaburzeñ

elektromagnetycznych

promieniowanych lub

przewodzonych.

K

oniecznoœæ uwzglêdnienia za-

sad kompatybilnoœci elektroma-

gnetycznej w projektowaniu, wy-

konawstwie i eksploatacji urz¹-

dzeñ i systemów elektronicznych nie budzi

obecnie w¹tpliwoœci wœród zdecydowanej

wiêkszoœci in¿ynierów i techników elektro-

ników. Zajmowanie siê jednak spraw¹ emi-

sji elektromagnetycznej ju¿ na poziomie

uk³adów scalonych mo¿e jeszcze powodo-

waæ pewne zdziwienie. Pomijaj¹c bowiem

pó³przewodnikowe przyrz¹dy du¿ej mocy,

w wiêkszoœci scalonych uk³adów cyfrowych,

p³yn¹ podczas ich funkcjonowania pr¹dy

nie przekraczaj¹ce 1 A, np. rzêdu dziesi¹-

tek lub setek miliamperów. Jak zatem uk³a-

dy scalone mog¹ stanowiæ Ÿród³o zaburzeñ

elektromagnetycznych _ promieniowanych

lub przewodzonych (konduktywnych), które

by³yby w stanie zak³óciæ pracê innych ele-

mentów w uk³adzie lub urz¹dzeniu? Aby

odpowiedzieæ na to pytanie, weŸmy na razie

pod uwagê sytuacjê maj¹c¹ miejsce w przy-

padku modu³ów (bloków funkcjonalnych,

pakietów) elektronicznych na p³ytkach dru-

kowanych.

Emisje elektromagnetyczne

z p³ytek drukowanych

Obwody elektryczne na p³ytce drukowanej,

utworzone przez zamontowane na niej uk³a-

dy scalone, wspó³pracuj¹ce z nimi elemen-

ty bierne i œcie¿ki po³¹czeñ oraz przewody

doprowadzaj¹ce zasilanie, linie sygna³owe

i wyprowadzenia sygna³ów wyjœciowych _

mog¹ byæ Ÿród³em emisji elektromagne-

tycznej. Jest to spowodowane aktywnoœci¹

funkcjonaln¹ uk³adów scalonych i przep³y-

wem sygna³ów elektrycznych zmiennych

w czasie.

G³ówn¹ przyczyn¹ powstawania zaburzeñ

elektromagnetycznych o charakterze sy-

gna³ów ró¿nicowych (symetrycznych) w sy-

stemach z przewodem dosy³owym i po-

wrotnym (wystêpowanie ró¿nic potencja³u

miêdzy tymi przewodami), s¹ w przypadku

p³ytek drukowanych pêtle uk³adowe z prze-

p³ywaj¹cym w nich pr¹dem (rys. 1). Pêtla

pr¹dowa dzia³a podobnie do ma³ej anteny

ramowej, wytwarzaj¹c w bliskim otoczeniu

pole elektromagnetyczne z dominuj¹c¹ sk³a-

dow¹ magnetyczn¹. Jako ma³¹ mo¿na

uznaæ tak¹ antenê pêtlow¹, której rozmiary

s¹ mniejsze od 1/4 d³ugoœci fali promienio-

wanego sygna³u (ok. 100 cm przy 75 MHz

i odpowiednio 10 cm przy 750 MHz).

Je¿eli powierzchnia pêtli wynosi³aby oko³o

kilkunastu cm

2

, a przep³ywaj¹cy pr¹d by³

rzêdu dziesi¹tek miliamperów, to na czêsto-

tliwoœci powy¿ej 30 MHz poziomy zabu-

rzeñ mog¹ ju¿ byæ wy¿sze ni¿ dopuszczal-

ne w normie europejskiej EN 55022 dla

urz¹dzeñ klasy B, przeznaczonych do u¿yt-

ku domowego. W takich przypadkach nale-

¿a³oby d¹¿yæ do zmniejszenia czêstotliwo-

œci sygna³u u¿ytecznego i zmniejszenia

wartoœci przep³ywaj¹cych pr¹dów oraz do

ograniczenia powierzchni pêtli pr¹dowej.

Je¿eli nie by³oby to mo¿liwe, np. ze wzglê-

dów konstrukcyjnych, nale¿a³oby rozwa¿yæ

zastosowanie ekranowania.

Z kolei zaburzenia o charakterze sygna³ów

wspólnych (wzd³u¿nych, niesymetrycznych),

powstaj¹ce w systemach zawieraj¹cych ka-

ble i przewody, stanowi¹ce drogê dosy³ow¹

sygna³u, oraz p³aszczyznê odniesienia (ma-

sê), przez któr¹ przep³ywaj¹ sygna³y po-

wrotne, s¹ wywo³ane przez wyst¹pienie

w uk³adzie niepo¿¹danych spadków

napiêæ. Mog¹ one byæ zwi¹zane np. z ró¿-

nic¹ napiêæ miêdzy p³aszczyzn¹ odniesie-

nia (lokaln¹ mas¹) a mas¹ uk³adu lub urz¹-

dzenia (rys. 2). Zaburzenia wspólne o wiêk-

szych czêstotliwoœciach s¹ wypromienio-

wywane ze Ÿród³a, przy czym nie przez sa-

m¹ p³ytkê, lecz przez do³¹czone do niej

przewody i kable, które mo¿na traktowaæ ja-

ko anteny prêtowe. Czêstotliwoœci emito-

wanych zaburzeñ maj¹ zwi¹zek z rezonan-

sami w³asnymi kabli, wystêpuj¹cymi powy-

¿ej kilkudziesiêciu megaherców. Drogi prze-

p³ywu pr¹dów wspólnych w uk³adach s¹

trudne do przewidzenia i mog¹ siê zamykaæ

do masy przez elementy paso¿ytnicze,

g³ównie pojemnoœciowe. Mog¹ one induko-

waæ w pewnej odleg³oœci od uk³adu scalo-

nego podobne natê¿enia pola co i pr¹dy

ró¿nicowe, ale nawet przy znacznie mniej-

szych wartoœciach (np. a¿ ponad tysi¹c-

krotnie mniejszych) ni¿ w poprzedniej sytu-

acji, zwi¹zanej z wystêpowaniem pr¹dów

ró¿nicowych.

Emisje z uk³adów scalonych

Opracowanie i zastosowanie w praktyce

tak z³o¿onych uk³adów scalonych jak mikro-

procesory, mikrokontrolery, cyfrowe proce-

sory sygna³ów i ró¿norodne specjalizowane

uk³ady scalone (ASIC), które dzia³aj¹ z du-

¿¹ szybkoœci¹ i pobieraj¹ przejœciowo znacz-

ne pr¹dy zasilania spowodowa³o, ¿e uk³ady

takie trzeba traktowaæ pod wzglêdem emi-

sji zak³óceñ podobnie jak poprzednio p³yt-

ki drukowane z modu³ami elektronicznymi.

Zaburzenia wytwarzane wewn¹trz uk³adów

scalonych pochodz¹ zwykle od odbiæ sygna-

³ów na indukcyjnych i pojemnoœciowych

nieci¹g³oœciach i zakoñczeniach wewnêtrz-

nych linii transmisji sygna³ów, od sprzê¿eñ

miêdzy s¹siednimi obwodami lub œcie¿ka-

mi po³¹czeñ, a tak¿e od prze³¹czeñ obwo-

dów. Te przyczyny, a zw³aszcza szybkie

zmiany napiêæ i pr¹dów w wewnêtrznych ob-

wodach uk³adu scalonego, w których wystê-

puj¹ pêtle pr¹dowe, powoduj¹ w³aœnie bez-

poœredni¹ emisjê sygna³ów elektromagne-

tycznych ze struktury _ przez przewodzenie

i wypromieniowanie tych sygna³ów poza

obudowê uk³adu scalonego. Podobnie jak

w przypadku p³ytek drukowanych, wystêpu-

je tu tak¿e emisja wynikaj¹ca z promienio-

wania przewodów i kabli do³¹czonych do

EMISJA ELEKTROMAGNETYCZNA

z UK£ADÓW SCALONYCH

r

PORADNIK

ELEKTRONIKA

Rys. 1. Schemat emisji zaburzeñ elektromagnety-

cznych o charakterze sygna³ów ró¿nicowych

z przewodem dosy³owym i powrotnym

9

uk³adu scalonego, a w zasadzie do jego

portów wejœciowo-wyjœciowych i wspó³pra-

cuj¹cych zewnêtrznych obwodów peryfe-

ryjnych. Mo¿e ona byæ zwi¹zana z fluktua-

cj¹ ró¿nicy napiêæ miêdzy p³aszczyzn¹ od-

niesienia (mas¹) na p³ytce drukowanej a po-

tencja³em odniesienia U

SS

i zasilaniem U

DD

w uk³adzie scalonym (ground and supply bo-

unce), rys. 3.

Poziomy mocy przenoszonej przez falê

elektromagnetyczn¹ wypromieniowan¹

z uk³adu scalonego i jego po³¹czeñ mog¹

byæ na tyle du¿e, ¿eby w przewodach ³¹cz¹-

cych z innymi obwodami lub uk³adami zain-

dukowaæ napiêcia zak³ócaj¹ce ich pracê.

W przypadku dobrej jakoœci mikrokontrole-

rów obserwowane by³y poziomy mocy pro-

mieniowania w granicach od _110 dBm (ok.

1 pW) do _75 dBm (ok. 70

µ

W), wystêpuj¹-

ce w paœmie 1

÷

1000 MHz. Trzeba jeszcze

dodaæ _ co jest doœæ oczywiste, ¿e wartoœci

te s¹ znacznie zró¿nicowane w odniesieniu

do ró¿nych rodzajów uk³adów. Mniej oczy-

wiste jest natomiast wystêpowanie ró¿nic i to

nawet 30 dB (1000-krotnie w jednostkach

mocy), w zale¿noœci od producenta i za-

stosowanych procesów technologicznych

dla funkcjonalnie takich samych uk³adów

scalonych, pracuj¹cych w tych samych wa-

runkach.

Poziomy emisji s¹ najwy¿sze w pobli¿u

kwarcu i generatora zegarowego oraz bufo-

rów wyjœciowych. Praktycznym zaleceniem

jest wiêc nie instalowanie w pobli¿u tych

obwodów lub ponad nimi szczególnie wra¿-

liwych innych podzespo³ów elektronicznych.

Zaleca siê tak¿e stosowanie elementów

odsprzêgaj¹cych - zwykle w formie kon-

densatorów tantalowych i ceramicznych

umieszczanych jak najbli¿ej ”odszumiane-

go” uk³adu scalonego.

Jak mierzy siê emisje

z uk³adów scalonych?

Podczas pomiarów emisji elektromagne-

tycznej uk³ady scalone powinny pracowaæ

w warunkach zbli¿onych do tych, które siê

przewiduje w praktycznych zastosowaniach.

W przypadku uk³adów programowalnych

mo¿e to spowodowaæ potrzebê napisania

specjalnych programów wykonywanych

w pêtli, aby zapewniæ powtarzalne warunki

badañ. Ilustracjê kierunków pola magne-

tycznego i elektrycznego, wytwarzanych

przez wyprowadzenia pracuj¹cego uk³adu

scalonego przedstawiono na rys. 4.

Za stosunkowo najbardziej dok³adne, ale te¿

i drogie, uznaæ mo¿na metody elektroop-

tyczne. Stosuje siê tu spójn¹ wi¹zkê pro-

mieniowania laserowego i kszta³tki materia-

³ów, odchylaj¹ce tê wi¹zkê o k¹t proporcjonal-

ny do natê¿enia sk³adowej elektrycznej lub

magnetycznej pola elektromagnetycznego.

Natomiast wœród metod stosowanych w tech-

nice bierze siê pod uwagê nastêpuj¹ce:

1. Metoda z wykorzystaniem komory TEM

lub GTEM (z poprzecznym polem elektro-

magnetycznym, wytworzonym w objêtoœci

powsta³ej z rozwiniêcia przewodu wspó³-

osiowego do obiektu o przekroju kwadrato-

wym lub prostok¹tnym o znacznych roz-

miarach geometrycznych); pomiary szero-

kopasmowe (np. od 150 kHz do 1000 MHz)

obu sk³adowych pola, odczyt wartoœci przy

u¿yciu analizatora widma.

2. Metoda z wykorzystaniem sondy pêtlowej

(jako anteny ramowej) o niewielkich roz-

miarach; pomiar sk³adowej magnetycznej

w paœmie od 1 do 1000 MHz.

3. Metoda z wykorzystaniem sondy o du¿ej

impedancji (z tranzystorem polowym na

wejœciu) i p³aszczyzny przewodz¹cej sprzê-

¿onej pojemnoœciowo z badanym uk³adem

scalonym; pomiar sk³adowej elektrycznej.

Dla u³atwienia pomiarów, zmierzone warto-

œci przelicza siê zwykle na uniwersalny

wskaŸnik natê¿enia pola, np. moment dipo-

la elektrycznego i/lub magnetycznego. Spo-

œród podanych trzech metod pomiaru emi-

sji elektromagnetycznej promieniowanej

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2001

z uk³adów scalonych, pierwsze dwie s¹ re-

komendowane przez Miêdzynarodow¹ Ko-

misjê Elektrotechniczn¹ IEC.

Odrêbn¹ spraw¹ jest pomiar zaburzeñ ge-

nerowanych przez uk³ad scalony, które

przez port wejœciowy, wyjœciowy i zwi¹zany

z liniami zasilania rozchodz¹ siê drog¹ prze-

wodzenia jako pr¹dy w. cz. w obwodach

zwi¹zanych z poszczególnymi jego wypro-

wadzeniami.

W przypadku pomiarów zaburzeñ rozcho-

dz¹cych siê przewodami, praktyczne zna-

czenie maj¹ _ równie¿ zalecane przez IEC

_ metody polegaj¹ce na pomiarze pr¹dów

w.cz. w obwodach po³¹czonych z poszcze-

gólnymi wyprowadzeniami uk³adu scalone-

go, bardzo czêsto na liniach zasilania. Po-

miary takie prowadzi siê mierz¹c spadek

napiêcia na wtr¹conym w obwód ma³ym

rezystorze (1

Ω

) lub stosuj¹c sondê ma-

gnetyczn¹ umieszczon¹ nad danym wy-

prowadzeniem lub œcie¿k¹ na p³ytce druko-

wanej. Zaburzenia przewodzone mo¿na

tak¿e mierzyæ w tzw. ma³ej klatce Fara-

day,a, maj¹cej formê metalowej skrzynki

o wymiarach 500x300x150 mm, wyposa¿o-

nej w odpowiednie przepusty, filtry i ele-

menty dopasowuj¹ce. We wszystkich tych

trzech metodach, z sondami i czujnikami

pola, wspó³pracuj¹ analizatory widma i oscy-

loskopy.

Wnioski praktyczne

dla projektuj¹cych

uk³ady elektroniczne

ZnajomoϾ natury oraz przyczyn powstawa-

nia zaburzeñ elektromagnetycznych po-

zwala zrozumieæ zjawiska zachodz¹ce

w pracuj¹cym obwodzie elektrycznym i wy-

eliminowaæ te, które s¹ niekorzystne. Dlate-

go w³aœnie w celu opracowania obwodu

elektrycznego, który nie bêdzie zaburza³

pracy innych elementów na p³ytce drukowa-

nej lub podzespo³ów, nale¿y ju¿ na etapie

projektowania przyj¹æ kilka podstawowych

zasad konstrukcyjnych i konsekwentnie je

przestrzegaæ:

q

Na etapie wstêpnego projektowania urz¹-

dzenia nale¿y wybieraæ takie uk³ady scalo-

ne, o których wiadomo, ¿e emituj¹ najmniej-

sze zak³ócenia przy podobnych parame-

trach funkcjonalnych _ wybór w³aœciwej

rodziny uk³adów scalonych. Je¿eli nie ma

wiarygodnych danych, nale¿y zdecydowaæ

siê na wyroby takiego producenta, który

jest znany z tego, ¿e wprowadza do swo-

ich wyrobów zmiany technologiczne obni¿a-

j¹ce poziom emitowanych zak³óceñ i oferu-

je specjalnie opracowane serie uk³adów

o ma³ej emisji i zwiêkszonej odpornoœci na

zak³ócenia.

Rys. 2. Schemat emisji zaburzeñ o charakterze

sygna³ów wspólnych z obwodów zawieraj¹cych

kable i przewody stanowi¹ce drogê dosy³ow¹

sygna³u oraz p³aszczyznê odniesienia ( masê)

bêd¹c¹ drog¹ sygna³ów powrotnych.

Rys. 3. Przyk³adowe pêtle pr¹du w.cz. zamykaj¹ce

siê przez obwód masy obwodu elektrycznego

Uk³ad

scalony

q

Urz¹dzenie powinno byæ tak zaprojekto-

wane, ¿eby ¿aden z jego elementów nie

pracowa³ z wiêksz¹ prêdkoœci¹ (czêstotliwo-

œci¹) ni¿ jest to konieczne.

q

Impulsy wytwarzane w obwodzie elek-

trycznym powinny charakteryzowaæ siê mo¿-

liwie d³ugim czasem narastania i opadania

oraz ³agodnym przebiegiem zboczy.

q

System po³¹czeñ na p³ytce drukowanej

powinien byæ tak zaprojektowany, ¿eby

œcie¿ki lub przeciêcia z liniami o du¿ych sy-

gna³ach zaburzaj¹cych by³y jak najdalej od-

suniête od pozosta³ych œcie¿ek i elementów

tego obwodu elektrycznego. Je¿eli jest to ko-

nieczne, nale¿y zastosowaæ ekranowanie ta-

kich œcie¿ek.

q

Masy lokalne poszczególnych modu³ów

np. analogowych, cyfrowych lub du¿ej mo-

cy, podobnie jak i same modu³y, powinny

byæ oddzielone od siebie, dziêki czemu

ogranicza siê rozp³yw zaburzeñ przewo-

dzonych po ca³ym urz¹dzeniu; w zakresie

w.cz. zaleca siê stosowanie uziemienia wie-

lopunktowego.

q

Przewody dosy³owe i powrotne powinny

byæ jak najbli¿ej siebie, dziêki czemu emito-

wane zak³ócenia przez ka¿dy z nich wzaje-

mnie siê kompensuj¹.

q

Wi¹zki prowadz¹ce przewody dosy³o-

we i powrotne ró¿nych modu³ów powinny

byæ mo¿liwie jak najdalej od siebie, a je¿e-

li jest to konieczne, nawet ekranowane.

q

Uk³ady scalone nale¿y odsprzêgaæ dla

zak³ócaj¹cych sygna³ów w.cz. przez równo-

leg³e po³¹czenie kondensatorów tantalo-

wych i ceramicznych.

q

Przydatne mo¿e byæ zastosowanie roz-

wi¹zañ sprzêtowo-programowych, np. uk³a-

dów monitoruj¹cych typu watch-dog.

q

Po wykonaniu prototypu projektowane-

go urz¹dzenia lub z³o¿onego uk³adu scalo-

nego, nale¿y przeprowadziæ badania po-

ziomu emitowanych zaburzeñ, np. jedn¹

z wy¿ej przedstawionych metod. Je¿eli po-

ziom zak³óceñ jest zbyt du¿y, nale¿y spróbo-

waæ ustaliæ przyczyny i zaproponowaæ po-

prawki lub ewentualnie zasiêgn¹æ opinii

specjalistów.

n

Jerzy F. Ko³odziejski,

Juliusz Szczêsny

10

r

PORADNIK

ELEKTRONIKA

Przegl¹d wydawnictw

Janusz Pieniak

ANTENY TELEWIZYJNE I RADIOWE.

WK£ Warszawa 2001 wydanie 4,

str. 192

To ju¿ czwarte, uaktualnione jak i poprze-

dnie, z 1997 r, wydanie tej ksi¹¿ki. Jak

w ka¿dej ksi¹¿ce o antenach nie przezna-

czonej do nauki, te¿ wszystko zaczyna siê

od Jamesa Clark Maxwella, ale im ksi¹¿-

ka nowsza tym szybciej przechodzi do

konkretów. W tej ksi¹¿ce uaktualnienie wi-

daæ na samym prawie pocz¹tku. Zanim

Autor przeszed³ do w³aœciwoœci optycz-

nych fal elektromagnetycznych, wy¿y³ siê

(i s³usznie) na przeciwnikach wszystkiego,

co nadaje, a zw³aszcza na ma³o co rozu-

miej¹cych w temacie a ideologicznie nasta-

wionych Zielonych. Smakowite czasem

cytaty z ró¿nych Ÿróde³ na pewno temat

o¿ywiaj¹, ale to i tak nie przekona naszych

obywateli, a zw³aszcza po¿al siê Bo¿e po-

lityków, którzy wszyscy razem na pewno

wiedz¹ wszystko lepiej. Szkodzi komórka

przy³o¿ona do g³owy – ale u¿ywa siê jej

bez oporów. Nie szkodzi radiostacja d³ugo-

falowa czy stacja bazowa sieci GSM – ale

walka przeciw nim trwa do upad³ego. Sa-

mo ¿ycie.

Poza rozbudowanym w tê stronê rozdzia-

³em 1 (Ogólnie o falach elektromagne-

tycznych), zmiany w rozdziale 2 (Podsta-

wy anten – zachowano niezbyt szczêœliwy

tytu³ nasuwaj¹cy myœl o jakichœ mecha-

nicznych rozwi¹zaniach podstaw anten)

maj¹ charakter kosmetyczny a nie meryto-

ryczny. Tablica TV stacji nadawczych i re-

transmisyjnych w rozdziale 3 (Anteny tele-

wizyjne) pochodzi z roku 2000, zatem – jak

na ksi¹¿kê – jest stosunkowo nowa, choæ

poprzedzaj¹cy j¹ komunikat, ¿e proces

wycofywania z u¿ycia kana³ów 1 do 5 „po-

winien zakoñczyæ siê z koñcem 1995 roku”

œwiadczy, ¿e uaktualnianie treœci nie wszê-

dzie dotar³o. Unowoczeœniono za to w spo-

sób zasadniczy informacjê o bie¿¹cej kra-

jowej produkcji anten, t³umików anteno-

wych, zwrotnic, filtrów i przedwzmacnia-

czy, o której naprawdê sporo mo¿na siê ju¿

dowiedzieæ. Stanowczo lepiej tak, ni¿ od-

wrotnie, ale w przysz³oœci bêdzie to chyba

najczêœciej i najg³êbiej modernizowana

czêœæ ksi¹¿ki. Obszernie te¿ omówiono

domowe instalacje antenowe, pracê kilku

odbiorników z jednej anteny, czêœciowo

powtarzaj¹c materia³ z poprzedniego wyda-

nia, ale czêœæ o antenach satelitarnych

w znacznym stopniu unowoczeœniono.

Charakter zmian wprowadzonych do roz-

dzia³ 4 (Anteny radiowe) jest podobny jak

w rozdziale 3, tzn. unowoczeœnienie informa-

cji o ofercie krajowej. Jak w poprzednim

wydaniu, nacisk po³o¿ono na anteny CB.

Podrozdzia³ o antenach krótkofalarskich –

nie zmieniony, ma³y i o bardzo ograniczonej

treœci – wydaje siê zbêdny przy jednoznacz-

nie okreœlonym charakterze ca³oœci. Ta te-

matyka pasuje do innej ksi¹¿ki. A w ogóle,

ta ksi¹¿ka to dla zainteresowanego kopalnia

wiedzy. Mo¿na poleciæ.

(lk)

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2001

Rys. 4. Kierunek pól (magnetycznego H

i elektrycznego E) generowanych

przez pracuj¹cy uk³ad scalony