提高集成電路電磁兼容性的方法

李菁川

摘要

電磁兼容性是影響電磁性能的一種能力，而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展在人們的生產(chǎn)和生活中占據(jù)重要的位置。集成電路相比較于一般的電路具有復(fù)雜性，最容易產(chǎn)生的電磁干擾的問題，這也對(duì)電磁的兼容性提出了更高的要求?；诖?，本文將以電磁的兼容性及其基本的原理作為切入點(diǎn)，對(duì)集成電路的電磁兼容性問題進(jìn)行深入研究并在此基礎(chǔ)上提出提高集成電路電磁兼容性的方法，以期提高集成電路的應(yīng)用水平。

【關(guān)鍵詞】集成電路 電磁兼容性 電磁干擾

集成電路在20世紀(jì)40年代后期產(chǎn)生，到目前為止發(fā)展到了一個(gè)芯片上包含上億晶體管的片上系統(tǒng)，其工作效率明顯提升。隨著電子設(shè)備及其功能發(fā)展的多樣化，集成電路的電磁工作環(huán)境也更加復(fù)雜，其中電磁干擾是其面臨的最突出的技術(shù)性問題，而通過電磁的兼容性技術(shù)可以較好地解決這個(gè)技術(shù)難題。

1電磁兼容性及其基本原理

1.1電磁兼容性的概念

電磁的兼容性是指設(shè)備或者是系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何其他的設(shè)備構(gòu)成產(chǎn)生電磁干擾以影響設(shè)備使用的能力，也就是不同的設(shè)備系統(tǒng)呈現(xiàn)出互不干擾的兼容狀態(tài)。電磁的兼容性一般從電磁干擾和電磁敏感度兩個(gè)方面進(jìn)行測量。其中，電磁干擾就是指任何能夠終端、阻礙、降低或者是限制電子設(shè)備性能發(fā)揮的電磁能量，又根據(jù)不同的目標(biāo)可以被分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾、寬帶干擾和窄帶干擾等。而電磁的敏感度就是指在電磁干擾的情況下電子設(shè)備系統(tǒng)能夠不被影響的能力，電磁抗擾性就是在產(chǎn)生電磁干擾下電子產(chǎn)品不降低性能的能力。一般來說，敏感度越高、抗干擾的能力越差。

在設(shè)備電磁兼容性中，一方面設(shè)備要具有抗電磁干擾的能力，另一方面也要能夠抵御電磁干擾帶來的不利影響。但是設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)自身產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)該保持在一定的范圍之內(nèi)。

1.2電磁兼容性的基本原理

電磁兼容性基本原理是以電磁干擾產(chǎn)生的原理為基礎(chǔ)的，一般來說，電磁干擾產(chǎn)生于電磁干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備三個(gè)方面。

電磁干擾源是電磁干擾組件在發(fā)揮功能的過程中必然會(huì)產(chǎn)生的問題，是客觀存在的。耦合路徑是指將干擾能量從干擾源傳輸?shù)矫舾性O(shè)備的路徑，耦合路徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾通過導(dǎo)線將電磁干擾傳輸?shù)矫舾性O(shè)備上，而輻射干擾則是通過大電量電流、平行導(dǎo)線等問題導(dǎo)致輻射現(xiàn)象產(chǎn)生從而引發(fā)的電磁干擾傳輸。敏感設(shè)備就是指在受到電磁干擾源發(fā)射的電磁能量時(shí)導(dǎo)致設(shè)備性能降低的設(shè)備或設(shè)備系統(tǒng)，一般數(shù)字電路中臨近信號(hào)受到干擾的能力較高就是指電子設(shè)備的敏感度比較高。

因此從以上分分析中可以看出，消除電磁干擾、提高電磁兼容性能應(yīng)該從這三個(gè)方面著手。

2集成電路的電磁兼容性分析

一般來說，集成電路是產(chǎn)生干擾的原因，也是受害者。而集成電路的電磁兼容可分為片內(nèi)電磁兼容和片外電磁兼容兩個(gè)方面。

2.1片內(nèi)電磁兼容性問題

2.1.1串?dāng)_

無論是有意還是無意，當(dāng)一個(gè)電路的電壓或者是電流通過耦合路徑傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路中就會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_的現(xiàn)象，具體來說就是信號(hào)或者是噪聲對(duì)另一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生的耦合。

在集成電路中通常有三種串?dāng)_機(jī)制：公共阻抗、電廠耦合和磁場耦合。在集成電路中，根據(jù)電路布線以及耦合機(jī)制產(chǎn)生來解決串?dāng)_是最根本的方法，同時(shí)還需要對(duì)電流和電壓進(jìn)行跟蹤。例如電廠耦合需要根據(jù)其自身的高阻抗和高頻率采取分離電路的方式隔離電路，降低電壓。

2.1.2同步開關(guān)噪聲

同步開關(guān)噪聲是由于集成電路中各種電路都使用一個(gè)電源分布線產(chǎn)生的。電路從電源總線吸納電流在總線上產(chǎn)生電壓降，這就會(huì)影響與總線相連接的所有電路。

2.2片外電磁兼容性問題

片外電磁兼容性問題主要表現(xiàn)在傳導(dǎo)耦合、電廠耦合、磁場耦合和輻射耦合四個(gè)方面。

傳導(dǎo)耦合就是在集成電路通過封裝引腳或者是引線造成的耦合；電廠耦合就是某個(gè)電壓在經(jīng)過某一個(gè)期間時(shí)引起另外兩個(gè)外導(dǎo)體出現(xiàn)電壓，從而產(chǎn)生的耦合；磁場耦合就是器件內(nèi)包含高頻電流環(huán)，能量通過磁場耦合出器件，電流環(huán)可能會(huì)連接到外部的電路環(huán)上；輻射場耦合是指電磁能量通過空間轉(zhuǎn)移使得空間距離拉大，噪聲耦合出集成電路并被其他的組件輻射出去從而形成輻射場耦合。

3集成電路電磁兼容性設(shè)計(jì)方法

集成電路電磁兼容性的設(shè)計(jì)方法不僅與集成電路自身的電磁發(fā)射與抗擾動(dòng)測試有關(guān)，最重要的是要與集成電路的應(yīng)用有關(guān)。因此可以將一些標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容性要求應(yīng)用到集成電路本身的設(shè)計(jì)當(dāng)中，從而降低集成電路的電磁干擾問題。具體來說，如果集成電路的設(shè)計(jì)不合理，那么高傳輸功率的集成電路產(chǎn)生的強(qiáng)大的電磁發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射會(huì)無法滿足電磁兼容性的要求，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)就需要集中考慮這些問題。

3.1降低集成電路電磁發(fā)射

集成電路的電磁發(fā)射效應(yīng)的產(chǎn)生與電磁組件封裝、開關(guān)門數(shù)、I/O口和數(shù)字同步模塊等有關(guān)，因此集成電路電磁發(fā)射頻率降低應(yīng)該從這些方面著手進(jìn)行，其中的核心就是要控制供電線路的阻抗。除了減小寄生電感、使用合適的電源等手段以外，還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

（1）異步設(shè)計(jì)。通過控制信號(hào)的波形或者是拓展頻譜來降低電路的電磁發(fā)射，或者是在集成電路的核心模塊上采用異步設(shè)計(jì)，這樣異步電磁輻射量就會(huì)小于同步電路。

（2）對(duì)外部和芯片的版圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如在電路的外部或者是芯片上使用雙絞線降低差分輸出信號(hào)的電磁發(fā)射，且不會(huì)受到電磁發(fā)射的影響。

（3）直接在封裝中使用電磁吸收材料，如使用鐵氧體。

（4）增加大的嵌入電容，就是在哪些產(chǎn)生明顯耦合作用的電源和環(huán)路上防止片上去耦電容，并在布線下鏈接上結(jié)電容，降低電磁的輻射。

（5）核心電路模塊和I/O口分開、在電源線上增加小串聯(lián)電阻等方法。

3.2提高集成電路抗干擾能力

提高集成電路的抗干擾能力就是降低電路的電磁敏感性，提高集成電路的抗干擾能力，首先，可以采用差分電路使電路的版圖設(shè)計(jì)優(yōu)化、電路分布勻稱，避免整流現(xiàn)象產(chǎn)生。其次，通過濾波限制敏感器件的頻率范圍。第三，安裝施密特觸發(fā)器能降低電磁敏感性。第四，采取高共模抑制比和電源抑制比避免電路受到整流干擾。第五，采用保護(hù)器件將高于電磁兼容性的電平部分掐掉。第六，異步電路、增加片上電容。

4結(jié)論

綜上所述，電磁干擾的來源于電磁干擾源、耦合路路徑和敏感設(shè)備這三個(gè)方面，因此電磁的兼容性應(yīng)該從這三個(gè)方面入手。根據(jù)集成電路的自身的性質(zhì)分析，其電磁兼容性應(yīng)該從片內(nèi)電磁兼容和片外電磁兼容這兩個(gè)方向上進(jìn)行，而在實(shí)際的集合電路的設(shè)計(jì)中就需要特別注意的電磁發(fā)射和抗干擾能力這兩個(gè)方面，以提高集成電路的綜合使用效能。微電子行業(yè)中的集成電路兼容性問題是一個(gè)十分重要的問題，在未來的研究中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成電路的電磁兼容性的技術(shù)水平還將會(huì)進(jìn)一步提高。

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