中心議題：
- 集成電路電磁騷擾標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展?fàn)顩r
- 集成電路EMC測(cè)試方法
- TEM小室法
- 表面掃描法
- 工作臺(tái)法拉第籠法
- 磁場(chǎng)探頭法
集成電路產(chǎn)業(yè)是我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要部分，它帶動(dòng)了其它產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，集成電路已成為各個(gè)行業(yè)中電子、機(jī)電設(shè)備智能化的核心，起著十分重要的作用。
近年來(lái)越來(lái)越多的電路設(shè)計(jì)人員和應(yīng)用人員開(kāi)展集成電路的EMC設(shè)計(jì)和測(cè)試方法的研究，EMC性已成為衡量集成電路性能的又一重要技術(shù)指標(biāo)。隨著集成電路集成度的提高，越來(lái)越多的元件集成到芯片上，電路的功能和密度增加了，傳輸脈沖電流的速度提高了，工作電壓降低了，集成電路本身的電磁騷擾與抗干擾問(wèn)題已成為集成電路的設(shè)計(jì)、制造業(yè)關(guān)注的課題。集成電路EMC的研究不僅涉及集成電路自身的電磁騷擾與抗擾度測(cè)試和設(shè)計(jì)方法研究，而且有必要與集成電路的應(yīng)用相結(jié)合，將強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的EMC要求，結(jié)合到集成電路的設(shè)計(jì)中，使電路更易于設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)的最終產(chǎn)品。電磁騷擾小的集成電路更有利于產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)，可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，節(jié)約濾波、屏蔽等措施的費(fèi)用，因此開(kāi)展集成電路的EMC設(shè)計(jì)和檢測(cè)研究能為電路的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)指南，節(jié)約最終產(chǎn)品的成本。
集成電路的廣泛應(yīng)用，反過(guò)來(lái)對(duì)其又提出了更高的要求，人們需要性能更好、可靠性高、成本更低的集成電路。從20世紀(jì)60年代以來(lái)正如摩爾定律預(yù)計(jì)的那樣每隔18到24個(gè)月芯片上的元件數(shù)翻了一番，出現(xiàn)了在芯片的價(jià)格持續(xù)降低的同時(shí)，性能和可靠性不斷提高的行業(yè)特點(diǎn)。集成的元件數(shù)的提高可以通過(guò)減小芯片上的關(guān)鍵尺寸（CD）或最小化特征尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣在集成度提高的同時(shí)芯片的速度也提高了。由于集成電路通過(guò)高速的脈沖數(shù)字信號(hào)來(lái)進(jìn)行工作，工作頻率越高產(chǎn)生的電磁騷擾頻譜越寬，越容易引起對(duì)外輻射的EMC方面的問(wèn)題。
研究對(duì)象
在集成電路電磁騷擾研究檢測(cè)領(lǐng)域，通常將直接從芯片上的電路和集成電路封裝產(chǎn)生的電磁發(fā)射稱(chēng)為輻射騷擾；將由集成電路引腳注入到印制電路板的布線(xiàn)或電纜上的脈沖電流引起的電磁發(fā)射稱(chēng)為傳導(dǎo)騷擾1。一般芯片上的電路和集成
電路封裝產(chǎn)生的直接輻射騷擾比由射頻電流通過(guò)外圍電路產(chǎn)生的電磁輻射小得多。從電磁發(fā)射的角度來(lái)看，電路板上布線(xiàn)與連接電纜構(gòu)成了電磁發(fā)射的天線(xiàn)。
由集成電路內(nèi)部產(chǎn)生的射頻電流，通過(guò)引腳和與之相連的PCB板上的連線(xiàn)向外發(fā)射，引腳和連線(xiàn)形成了等效的發(fā)射天線(xiàn)，產(chǎn)生了無(wú)意發(fā)射。向外發(fā)射功率的大小可由式（1）來(lái)計(jì)算：
其中Rr為無(wú)意發(fā)射天線(xiàn)的等效發(fā)射阻抗，IRF為IC工作時(shí)產(chǎn)生的射頻電流。由此可以看出評(píng)價(jià)集成電路傳導(dǎo)騷擾可通過(guò)測(cè)量集成電路引腳的射頻電流來(lái)進(jìn)行。在數(shù)字集成電路中，該射頻電流是由電路芯片和驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的脈沖射頻電流。如圖（一）是集成電路的電流分布示意圖，ZL為連接輸出端口外圍電路的等效阻抗，IP為輸出電平由低電平到高電平時(shí)的輸出電流，ISS為輸出電平由高電平到低電平時(shí)的輸出電流，ICC為輸出級(jí)電路的供電電源的電流。當(dāng)電路工作
時(shí)，瞬時(shí)脈沖電流一部分從旁路電容CB得到，另一部分來(lái)自供電電源IPS。經(jīng)過(guò)旁路電容的電流大小與旁路電容相對(duì)于集成電路的放置位置、布線(xiàn)情況、電容的特性有關(guān)，即與連接旁路電容的串聯(lián)阻抗、諧振頻率等電容本身的特性有關(guān)。通常旁路電容為高頻信號(hào)提供一個(gè)低阻抗回路，這樣電流的高頻部分由電容來(lái)提供，其余由電源提供形成輸出電流。
圖（一）數(shù)字集成電路的芯片與I/O電路電流分布
可以看出，外圍電路的變化會(huì)對(duì)電流的分布情況產(chǎn)生影響，因而測(cè)試應(yīng)在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電路板上進(jìn)行。在確定的電路板上，集成電路的電磁發(fā)射的水平，可通過(guò)測(cè)出的電源端和輸出端口電流來(lái)描述。
集成電路電磁騷擾標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展?fàn)顩r
目前國(guó)際電工委員會(huì)制定的有關(guān)集成電路電磁發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)如下所示：
序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)
1IEC61967-1集成電路-電磁發(fā)射，150kHzto1GHz-通用條件與定義
2IEC61967-2集成電路-電磁發(fā)射，150kHzto1GHz-TEM小室法
3IECTS61967-3集成電路-電磁發(fā)射，150kHzto1GHz-表面掃描法
4IEC61967-4集成電路-電磁發(fā)射，150kHzto1GHz-1Ω/150Ω直接耦合法
5IEC61967-5集成電路-電磁發(fā)射，150kHzto1GHz-工作臺(tái)法拉第籠法
6IEC61967-6集成電路-電磁發(fā)射，150kHzto1GHz-磁場(chǎng)探頭法
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下面簡(jiǎn)要介紹幾種電磁發(fā)射的測(cè)試方法。
1、TEM小室法
TEM小室法是在電磁兼測(cè)試中應(yīng)用較為廣泛的TEM小室的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種電磁騷擾測(cè)量方法。TEM小室中間的矩形部分開(kāi)了一個(gè)與被測(cè)線(xiàn)路板相適應(yīng)的矩形窗口，用于放置裝有被測(cè)集成電路的專(zhuān)用評(píng)估線(xiàn)路板，該P(yáng)CB板的內(nèi)側(cè)為被測(cè)的集成電路，外側(cè)為集成電路的外圍電路及輔助設(shè)備的連接端子。
如果TEM小室工作頻率低于截止頻率，只有TEM模被激發(fā)，傳遞到兩同軸負(fù)載的功率與被測(cè)PCB板上試品的電流平方成正比，這樣通過(guò)測(cè)試同軸輸出端的頻譜就能評(píng)估線(xiàn)路板上集成電路的電磁發(fā)射性能。該方法的缺點(diǎn)是必須制作專(zhuān)用的測(cè)試板用于測(cè)試，在電路電磁發(fā)射源多的情形下測(cè)試板對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響比較大。
2、表面掃描法
表面掃描法通過(guò)測(cè)量集成電路表面電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方法來(lái)描述集成電路的電磁發(fā)射特性。該方法的測(cè)量頻率范圍可達(dá)10MHz—3GHz，測(cè)量采用電場(chǎng)探頭或磁場(chǎng)探頭按一定順序掃過(guò)集成電路表面，由接收機(jī)將相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果依次傳送給計(jì)算機(jī)處理。測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與電場(chǎng)或磁場(chǎng)探頭的特性和探頭定位裝置的精度有關(guān)。該方法可用于探測(cè)集成電路芯片上不同部位的電磁發(fā)射分布情況，適用于對(duì)集成電路的不同設(shè)計(jì)方案的電磁發(fā)射特性的比較。
3、1Ω/150Ω直接耦合法
直接耦合法分為射頻電流測(cè)試和引腳的射頻電壓測(cè)試兩種測(cè)試方法。射頻電流測(cè)試法是在需進(jìn)行測(cè)試的電路中接入一串聯(lián)電阻為1Ω的電流探頭，用頻譜儀或接收機(jī)測(cè)量射頻電流流經(jīng)該電阻時(shí)產(chǎn)生的射頻電壓，所測(cè)得的電壓應(yīng)為所有流回到集成電路的射頻電流在電流探頭上產(chǎn)生電壓的總和。射頻電壓測(cè)試法用于測(cè)試集成電路的單個(gè)引腳或一組引腳上的射頻電壓，該方法主要用于測(cè)試那些準(zhǔn)備連接較長(zhǎng)引線(xiàn)輸出高頻信號(hào)的引腳，因?yàn)檩^長(zhǎng)的引線(xiàn)更易成為發(fā)射電磁波的天線(xiàn).集成電路的引腳通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的匹配網(wǎng)絡(luò)接到測(cè)試接收機(jī)。由于電流探頭和電壓探頭及網(wǎng)絡(luò)需設(shè)計(jì)在線(xiàn)路板上才能進(jìn)行測(cè)試，所以該方法需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板來(lái)進(jìn)行。該方法的具有重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)，可用于比較不同集成電路的電磁發(fā)射特性。
4、工作臺(tái)法拉第籠法
工作臺(tái)法拉第籠法的測(cè)試在一個(gè)長(zhǎng)0.5m寬0.35m高0.15m的金屬屏蔽盒中進(jìn)行，如圖（四）所示。被測(cè)試線(xiàn)路板與底部參考地的距離為0.03m，與周?chē)饘倜娴木嚯x至少為0.06m，測(cè)試端口的共模阻抗為150Ω，其它功能連線(xiàn)應(yīng)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的濾波器并接磁環(huán)使其共模阻抗遠(yuǎn)大于150Ω（頻率150kHz時(shí)LCM≥280uH）。
其測(cè)試布置如圖（六）所示。
圖（四）工作臺(tái)法拉第籠法圖（五）磁場(chǎng)探頭法
工作臺(tái)法拉第籠法用于評(píng)估可在小尺寸的線(xiàn)路板上模擬其獨(dú)立功能的集成電路。集成電路的電磁發(fā)射可在預(yù)定的工作條件下進(jìn)行測(cè)量，另外該方法可以直接測(cè)量實(shí)際應(yīng)用電路板相同或與實(shí)際應(yīng)用相近的電路板，這就為預(yù)測(cè)集成電路在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的電磁發(fā)射情況提供了評(píng)估方法，也為在對(duì)EMC有強(qiáng)制性要求的集成電路功能模塊的電磁發(fā)射性能分級(jí)提供了測(cè)試方法。該方法來(lái)源于IEC61000-4-6，當(dāng)線(xiàn)路板的電尺寸較小，也就是尺寸
，如在1GHz頻率線(xiàn)路板尺寸小于0.15m時(shí)，連接線(xiàn)路板的電纜成為集成電路的發(fā)射天線(xiàn)，電磁發(fā)射主要由這些天線(xiàn)產(chǎn)生，相對(duì)這些天線(xiàn)，由集成電路本身產(chǎn)生的發(fā)射小得多，通常可以忽略。從該方法的原理可以看出，測(cè)試結(jié)果中還體現(xiàn)了如下因數(shù)的影響：電路板的布線(xiàn)結(jié)構(gòu)；集成電路的去耦措施；電容、電感等分立元件的高頻性能以及集成電路內(nèi)部不同功能模塊工作時(shí)的影響。所以用專(zhuān)門(mén)制作的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板測(cè)試可以比較集成電路EMC性能，而用實(shí)際電路板還可以評(píng)估實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合所設(shè)計(jì)的線(xiàn)路板的EMC性能。在共模測(cè)試端測(cè)得的電壓與測(cè)試距離為10米時(shí)的騷擾場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系大致為：
實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值與線(xiàn)路板及引線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度有很大的關(guān)系。
5、磁場(chǎng)探頭法
該方法用于測(cè)量由集成電路輸出到線(xiàn)路板引線(xiàn)上的射頻電流引起的電磁輻射，與該激勵(lì)電流有關(guān)的引線(xiàn)、電源層和地層以及與線(xiàn)路板相連的電纜起到了發(fā)射天線(xiàn)的作用，產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的大小與該電流成正比。線(xiàn)路板的設(shè)計(jì)，虛擬天線(xiàn)的發(fā)射效率，射頻電流的耦合因子等因數(shù)也會(huì)影響最終場(chǎng)強(qiáng)的大小，而集成電路的射頻電流是產(chǎn)生電磁輻射的根源。所以測(cè)量集成電路產(chǎn)生的射頻電流可作為評(píng)價(jià)集成電路、PCB板及系統(tǒng)EMC特性的一個(gè)方法。采用一個(gè)微型磁場(chǎng)探頭在被測(cè)線(xiàn)路（如電源線(xiàn)或I/O線(xiàn)）上的特定位置測(cè)量其磁場(chǎng)就可經(jīng)計(jì)算得出被測(cè)引線(xiàn)上的電流大小。在該磁場(chǎng)探頭放置精確的情況下用這種方法所得的測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性比較高。
我所根據(jù)工作臺(tái)法拉第籠法和磁場(chǎng)探頭法建立了兩個(gè)方法的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試儀器采用Agilent公司的頻譜分析儀E4440A和26dB的預(yù)放大器。E4440A的頻率范圍為10Hz—26.5GHz，它的分辨率帶寬可從1Hz-8MHz的范圍內(nèi)選擇，并具有附合CISPR標(biāo)準(zhǔn)的電磁干擾測(cè)試分辨率帶寬和峰值、準(zhǔn)峰值和平均值檢測(cè)模式，它還具有MIL-STD-461E標(biāo)準(zhǔn)要求的帶寬和檢波方式，適合用于電磁騷擾的測(cè)試與評(píng)估。測(cè)量小信號(hào)的靈敏度很高，在1Hz時(shí)底噪聲可達(dá)到-160dBm，配上預(yù)放大器，即使磁場(chǎng)探頭的插入損耗大，也足以檢測(cè)到較小的干擾信號(hào)。為提高測(cè)量準(zhǔn)確度，系統(tǒng)配備了射頻電壓校準(zhǔn)功能，使儀器的測(cè)量誤差小于1dB。
工作臺(tái)法拉第籠法和磁場(chǎng)探頭法的特點(diǎn)是不僅能測(cè)試專(zhuān)用測(cè)試電路的電磁兼容性，還可以在實(shí)際的應(yīng)用板上進(jìn)行測(cè)試，可作為不同設(shè)計(jì)應(yīng)用方案的性能評(píng)估，評(píng)價(jià)實(shí)際應(yīng)用線(xiàn)路板的電路EMC性能，這樣集成電路生產(chǎn)企業(yè)與應(yīng)用集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工程師都能利用該方法進(jìn)行檢測(cè)。由于其體積小，使用方便，可方便EMC設(shè)計(jì)人員查找產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局方面存在的問(wèn)題，在電路設(shè)計(jì)改進(jìn)階段和產(chǎn)品的整改階段提供幫助。
