電磁脈沖對數(shù)字電路的輻照法與注入法比較

周星,程二威,王書平

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北石家莊 050003)

電磁脈沖對數(shù)字電路的輻照法與注入法比較

周星,程二威,王書平

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北石家莊 050003)

為了研究電磁脈沖注入法在評價(jià)設(shè)備或系統(tǒng)中電子器件受電磁脈沖輻照作用的有效性,準(zhǔn)確評價(jià)電子器件在工作時(shí)的抗電磁脈沖能力,選取了某導(dǎo)彈裝備上信息處理模塊的串行數(shù)據(jù)分配電路為研究對象,研究了2種雷電電磁脈沖對電路的輻照效應(yīng)與注入效應(yīng),總結(jié)了耦合規(guī)律與作用機(jī)理,討論了直接注入與輻射耦合的相關(guān)性,探討了電磁脈沖抗擾度的實(shí)驗(yàn)方法.研究結(jié)果表明,電磁脈沖的注入法與輻照法是不相關(guān)的,注入法不能替代輻照法.

電磁脈沖;雷電電磁脈沖;數(shù)字電路;注入法;輻照法

電磁脈沖是一種常見的干擾源,在日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境下,電子器件及設(shè)備面臨著各種自然和人為的電磁脈沖的威脅[1-2].電磁脈沖對電路系統(tǒng)和器件的能量耦合途徑有傳導(dǎo)耦合和輻射耦合2種方式,在實(shí)驗(yàn)中通常采用注入法和輻照法來模擬傳導(dǎo)和輻射2種干擾方式,并以此來評估設(shè)備或者器件的電磁抗擾度或敏感性.注入法是直接將干擾信號(hào)注入被試物,該方法的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)條件和步驟簡單,而且使用功率相對較低的源就可以使被試物得到一定的電壓值和能量值,而采用輻照法需要很大功率的源才能使被試物得到同樣的電壓值和能量值,但輻照法能夠比較真實(shí)地模擬電子設(shè)備受電磁脈沖輻照的情形,更接近實(shí)際情況[3].而過去對微電子器件的電磁脈沖效應(yīng)研究主要采用直接注入的實(shí)驗(yàn)方法,如直接注入靜電脈沖、方波脈沖等,此時(shí)器件處于非工作狀態(tài),因此探討注入法在評價(jià)設(shè)備或系統(tǒng)中電子器件受電磁脈沖輻照作用的有效性,對研究電子器件的電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法、準(zhǔn)確評價(jià)電子器件在工作時(shí)的抗電磁脈沖能力有著重要意義.

本文以某導(dǎo)彈裝備上一塊數(shù)字電路為代表,選取了2種雷電電磁脈沖作為干擾源,對該數(shù)字電路進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)以及對該電路中接收干擾的與非門器件進(jìn)行注入實(shí)驗(yàn),并通過比較輻照實(shí)驗(yàn)與注入實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來討論二者的等效性.

1 被試對象

被試對象選自某裝備上信息處理的串行數(shù)據(jù)分配電路.被試對象分為2部分,控制信號(hào)產(chǎn)生電路和串行數(shù)據(jù)分配電路.控制信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生脈寬為125μs的方波振蕩信號(hào),該信號(hào)由分配電路里的一個(gè)與非門接收.當(dāng)控制信號(hào)受到電磁脈沖干擾,干擾電壓超過某一閾值時(shí),與非門電路將產(chǎn)生翻轉(zhuǎn),造成誤動(dòng)作,致使正常的數(shù)據(jù)輸出被阻斷,或是輸出了不需要的錯(cuò)誤數(shù)據(jù).因此,本實(shí)驗(yàn)選擇了控制信號(hào)傳輸線為輻照干擾的耦合途徑,來研究耦合規(guī)律、電路的結(jié)構(gòu)及其在電磁場中的位置,如圖1所示.

為了比較不同型號(hào)與非門的抗電磁脈沖能力,選用了由美國德克薩斯儀器公司生產(chǎn)的74LS00, 74HC00,74HCT00和CD 4011等4種常見的TTL和CMOS與非門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.

2 輻照實(shí)驗(yàn)

2.1 輻照裝置

雷電電磁脈沖輻照實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.將受試設(shè)備(EU T)置于平行板傳輸線工作空間.高壓脈沖源采用LSG-8015雷電浪涌發(fā)生器,它可產(chǎn)生國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5所規(guī)定的綜合波浪涌(1.2/50μs)電壓波形和CCITT波形(10/700μs)[4].對工作空間內(nèi)脈沖場的測量采用光纖傳輸?shù)膶拵щ妶鰷y試系統(tǒng)進(jìn)行測量,對被試電路接收的耦合電壓的測量采用TEK-TDS680B示波器.

按照上述實(shí)驗(yàn)方案,被試電路按照圖1所示的擺放方向進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn),測量串行數(shù)據(jù)分配器電路中接收選通控制信號(hào)的與非門輸入端和輸出端的波形.

2.2 不同場強(qiáng)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用綜合波浪涌(1.2/50μs)為輻照源,改變場強(qiáng)的大小,與非門型號(hào)為CD4011,測量不同場強(qiáng)下與非門的輸入與輸出端的電壓波形,圖3為當(dāng)輻射場強(qiáng)峰值為8.75 kV/m時(shí),與非門輸入與輸出端的電壓波形,其中通道1是輸入波形,通道2是輸出波形.圖中,橫坐標(biāo)為200 ns/格,縱坐標(biāo)為2 V/格.因?yàn)槊}沖的持續(xù)時(shí)間小于多諧振蕩器產(chǎn)生的方波的半周期,故脈沖干擾結(jié)果分信號(hào)在低電平時(shí)受到干擾的情況(圖3 a)和信號(hào)在高電平時(shí)受到干擾的情況(圖3 b).

圖3 場強(qiáng)峰值為8.75 kV/m時(shí)與非門輸入和輸出端的波形Fig.3 Input and output waves of gate when E-field strength is8.75 kV/m

從圖3可以看出,本來應(yīng)該處于高電平或低電平的信號(hào),在受到干擾后,產(chǎn)生了振蕩,先是高頻振蕩,后為低頻衰減振蕩.將場波形與感應(yīng)波形(與非門輸入端波形)進(jìn)行比較(如圖4所示),可以發(fā)現(xiàn):場波形的前部有一些高頻振蕩,這在標(biāo)準(zhǔn)的雙指數(shù)雷電浪涌波形中是不應(yīng)該存在的,這是由于放電開關(guān)以及波形產(chǎn)生電路分布參數(shù)等因素而產(chǎn)生的.而感應(yīng)波形前部的高頻振蕩與場波形前部的高頻振蕩的振蕩頻率和持續(xù)時(shí)間相當(dāng),可以推知感應(yīng)波形前部的高頻振蕩是由場波形前部的高頻振蕩引起的.感應(yīng)波形后部的低頻振蕩才是由雙指數(shù)場波形引起的.低頻振蕩的振蕩周期為2.2～2.3μs,場強(qiáng)比較低的時(shí)候并不明顯,場強(qiáng)比較高時(shí),振蕩強(qiáng)度加大,超過與非門的翻轉(zhuǎn)門限時(shí)還會(huì)導(dǎo)致與非門發(fā)生翻轉(zhuǎn),隨著場強(qiáng)的增大與非門發(fā)生翻轉(zhuǎn)的次數(shù)也增多.

圖4 場波形與感應(yīng)電壓波形Fig.4 E-f ield wave and induced voltage wave

在同一干擾水平下(即同樣的電場強(qiáng)度),當(dāng)輸入端的信號(hào)處于低電平時(shí),比高電平時(shí)感應(yīng)電壓波形的低頻振蕩衰減得慢,持續(xù)時(shí)間更長,輸出端翻轉(zhuǎn)的次數(shù)也更多.這是因?yàn)槠骷幱诓煌碾娖较聝?nèi)部管子的開關(guān)狀態(tài)不一樣,因而具有不同的輸入阻抗,對干擾的接收能力也不同.

2.3 不同接收與非門類型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

更換與非門的類型,仍采用綜合波浪涌(1.2/50μs)為輻照源,測量不同型號(hào)與非門在電路中受到輻照時(shí)接收的干擾電壓.圖5顯示了不同類型的與非門在不同場強(qiáng)下感應(yīng)電壓的峰峰值.從圖中可以看出,在同一場強(qiáng)水平下,不同芯片感應(yīng)的電壓峰值不一樣.其中74LS00比其他3種與非門的感應(yīng)電壓要大得多.

圖5 各與非門輸入端電壓與場強(qiáng)的關(guān)系Fig.5 Relation of f ield strength and input voltage of gate

經(jīng)分析,導(dǎo)致各芯片耦合結(jié)果不同的原因是各個(gè)芯片的輸入阻抗特性不同.這說明了在同樣的外部天線和輻射場的條件下,天線的形狀一定,阻抗特性就是一定的,器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與阻抗特性對感應(yīng)結(jié)果起著很大影響,阻抗越大,器件的接收能力越強(qiáng),因而接收到的感應(yīng)電壓越高.

當(dāng)場強(qiáng)峰值增大到一定值時(shí),與非門輸入端接收到的干擾電壓超過翻轉(zhuǎn)閾值時(shí),與非門的就會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn).測試結(jié)果表明,不同類型的與非門受干擾的最小場強(qiáng)不同,即與非門翻轉(zhuǎn)閾值不同.表1為不同與非門受到干擾的翻轉(zhuǎn)閾值.

表1 各種與非門的翻轉(zhuǎn)閾值Tab.1 Overturn thresholds of gates

在高電平狀態(tài)下,與非門受輻射干擾的翻轉(zhuǎn)閾值從高到低排序?yàn)?74LS00,74HC00,74HCT00, CD4011;在低電平狀態(tài)下,與非門受輻射干擾的翻轉(zhuǎn)閾值從高到低排序?yàn)?CD4011,74HC00,74HCT00, 74LS00.器件的干擾閾值除了受電路的門限電平和噪聲容限的影響外,還受器件的輸入阻抗影響,即器件接收能力的影響.

2.4 不同脈沖類型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于各器件的感應(yīng)波形相似,故以74HC00為例,研究改變浪涌類型對耦合結(jié)果的影響.采用CCITT波形(10/700μs)作為輻照源,將被試對象按照圖1所示方向置于脈沖場中,觀測74HC00的耦合結(jié)果.圖6是電場峰值為8.75 kV/m時(shí)的耦合電壓波形.圖中,橫坐標(biāo)為1μs/格,縱坐標(biāo)為10 V/格.

圖6 場強(qiáng)峰值為8.75 kV/m時(shí)74HC00輸入和輸出端的波形Fig.6 Input and output waves of gate when E-f ield strength is8.25 kV/m

從圖6可以看出,CCITT脈沖場下的感應(yīng)電壓波形的主要持續(xù)時(shí)間為1～1.5μs的高頻振蕩,這也是由于場波形上升沿上額外疊加的高頻振蕩引起的;而感應(yīng)波形低頻振蕩的幅度極小,尤其在場強(qiáng)比較小的時(shí)候,幾乎沒有低頻振蕩,只有在場強(qiáng)峰值很大的情況下,與非門才發(fā)生了翻轉(zhuǎn).低頻振蕩與場波形的上升沿、脈寬等因素有關(guān).綜合波的上升沿較小,因而其頻譜分布在一個(gè)較高的頻率段,感應(yīng)的電壓波形的低頻振蕩幅度較大,而CCITT波的上升沿較大,分布在較低的頻率段,而感應(yīng)波形的低頻振蕩幅度很小.

圖7 注入方法示意Fig.7 Sketch map of in jection method

3 注入實(shí)驗(yàn)

3.1 注入方法

對輻照實(shí)驗(yàn)中的干擾接收器件與非門進(jìn)行注入實(shí)驗(yàn).與非門仍選用輻照實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的由美國德克薩斯儀器公司生產(chǎn)的74L S00, 74HC00,74HCT00和CD4011 4種常見的TTL和CMOS與非門.其注入方法如圖7所示[5].

3.2 綜合波注入實(shí)驗(yàn)

用前面所述的實(shí)驗(yàn)方法對74LS00,74HC00,74HCT00和

CD4011 4種與非門進(jìn)行注入實(shí)驗(yàn),得到它們的最小損傷電壓和最大未損傷電壓值,見表2.從表中可以看出,對于綜合波脈沖,各種與非門的耐壓能力是不同的,它們的耐壓情況由高到低排序?yàn)?4HC00,CD4011, 74LS00,74HCT00.

表2 與非門的最小損傷電壓和最大未損傷電壓Tab.2 Least damage voltage and themost non-damage voltage of gates

3.3 CCITT脈沖注入實(shí)驗(yàn)

用前面所述的實(shí)驗(yàn)方法對74LS00,74HC00,74HCT00和CD4011 4種與非門進(jìn)行CCITT脈沖的注入實(shí)驗(yàn),所有器件的損傷閾值均在30 V以下.可見,寬脈沖對器件的損傷閾值比窄脈沖下的損傷閾值要低得多.

4 結(jié)論

微電子器件在進(jìn)行直接注入實(shí)驗(yàn)時(shí),通過注入實(shí)驗(yàn)確定器件的敏感端對的損傷電壓閾值,標(biāo)準(zhǔn)常以注入電壓的高低來劃分器件抗電磁脈沖能力的等級(jí).器件損傷與失效機(jī)理基本上都與注入的能量或者電壓有關(guān),即與注入電壓和脈沖的脈寬有關(guān),而與脈沖的上升沿沒有直接的關(guān)系.前面的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn),綜合波波形的脈寬要比CCITT波形小,不管是工作狀態(tài)還是非工作狀態(tài)下,器件的損傷閾值都要大,也就是說,注入脈沖的脈寬越寬,損傷閾值越小.

由前面的實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果可知,感應(yīng)電壓與脈沖的上升沿有關(guān),而與脈寬無關(guān).上升沿的大小決定了脈沖頻譜的高頻分量,而被試電路對場來說為電小尺寸,因而輻照耦合對高頻的場更為敏感.故上升沿越小,被試設(shè)備的感應(yīng)電壓幅度越大,而上升沿大的場對被試設(shè)備的感應(yīng)電壓幅度小.

比較注入與輻照結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同類型的器件在注入實(shí)驗(yàn)中的耐壓排序與在輻照實(shí)驗(yàn)中受干擾的情況是完全不同的,也就是說,注入耐壓能力高的器件,在輻照中抗干擾與損傷的能力不一定就高.

從以上的比較分析中可以得出:注入法與輻照法不但對電磁脈沖的敏感參數(shù)不一樣(對上升沿敏感或?qū)γ}寬敏感).并且通過比較不同類型的與非門器件的注入損傷閾值與輻照干擾閾值,可以發(fā)現(xiàn)器件在注入實(shí)驗(yàn)中的耐壓能力不能代表它的輻照抗干擾能力.可見,對于不同類型的器件來說,由于不同器件的接收能力以及抗電磁脈沖能力的情況不同,注入法與輻照法是不相關(guān)的.

對單個(gè)器件來說,由于管腳間的輸入阻抗是一定的,即器件在電路中受輻照時(shí)接收能力一定,器件在注入實(shí)驗(yàn)中抗電磁脈沖的能力提高了,在電路中受輻照時(shí)抗電磁脈沖的能力也會(huì)提高.因此,注入法在改進(jìn)和提高器件的抗電磁脈沖能力研究的測試中是一個(gè)有效的方法.在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)具體情況來決定采用何種方法來評價(jià).

[1]鄔占軍,劉尚合.電磁脈沖與電磁環(huán)境[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),1995,7(4):1-3.

[2]劉尚合,武占成,朱長清,等.靜電放電與危害防護(hù)[M].北京:郵電大學(xué)出版社,2004.

[3]王長河.電子元器件輻射效應(yīng)及加固技術(shù)研究及展望[J].抗核加固,1997(6):55-65.

[4]IEC 61000-4-5,1995.Electromagnetic compatibility-Part 4-5:Testing and techniques-Surge immunity test[S].

[5]楊潔,劉尚合,原青云,等.微電子器件方波EMP注入敏感端對的實(shí)驗(yàn)研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,16(12):1-3.

Comparison on In jection and Radiation of Pulse on Digital Circuits

ZHOU Xing,CHENG Er-wei,WANG Shu-ping
(Electrostatic and Electromagnetic Protection Research Institute,Ordnance Engineering Co llege, Shijiazhuang 050003,China)

To investigate the validity of injection method on estimating radiation immunity of devices in circuits and system s against EM P,and exactly evaluate immunity of devices on working against EM P,a digital circuitw as chosen as study object,and the injection experiments and radiation experiments of two typesof LEM P on the digital circuit were studied.Coup ling rules were studied,and the experimental results of injection and radiation w ere compared.Experimental results show ed that radiation effects w ere suscep tible to rise-time of pulse,w hile injection effects are suscep tible to pulse w idth,and the imm unity of devicesagainst pulse of injection couldn’t rep lace the immunity of devices in circuit against pulse of radiation.The injection method and radiation method were irrelevant,and they couldn’t rep lace each other.

electromagnetic pulse(EM P);lightning EM P(LEM P);digital circuit;injection method; radiation method

O 441;TM 973

A

1000-1565(2010)05-0594-06

2010-04-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50977091;60971042)

周星(1978—),女,重慶江津人,軍械工程學(xué)院講師,博士,主要研究方向?yàn)殡姶琶}沖效應(yīng)評估與防護(hù)技術(shù).

(責(zé)任編輯:孟素蘭)