HAL Id: jpa-00249343
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Submitted on 1 Jan 1995
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Étude de l’impact d’une perturbation électromagnétique sur le fonctionnement de composants logiques
électroniques
Catherine Maréchal, Marco Klingler, Marc Heddebaut, Bernard Demoulin
To cite this version:
Catherine Maréchal, Marco Klingler, Marc Heddebaut, Bernard Demoulin. Étude de l’impact d’une perturbation électromagnétique sur le fonctionnement de composants logiques électroniques. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1995, 5 (6), pp.743-756. �10.1051/jp3:1995158�. �jpa-00249343�
Classification Physics Abstracts
06.30F 06.70E
#tude de l'impact d'une perturbation 41ectromagn4tique sur le fonctionnement de composants logiques 41ectroniques
Catherine Mar4chal (~), Marco Klingler (~), Marc Heddebaut (~ et Bernard Demoulin (~
(~) INRETS (Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sdcuritd) L#OST (Labo-
ratoire (lectronique Ondes et Signaux
pour les Transports), 20 rue #lisde Redus, 59650 Ville-
neuve d'Ascq, France
(~) USTL-LRPE (Universit4 des Sciences et Technologies de Lille Laboratoire de Radio-
Propagation et (lectronique), 59650 Villeneuve d'Ascq, France
(Re§u le is juin 1994, accept4 le 22 fdvrier 1995)
Rdsum4. Nous nous int6ressons dans cet article h la susceptibilitd 61ectromagndtique de composants 41ectroniques logiques. Plusieurs techniques de rdalisation de ces composants sont
pass4es en revue. La premiAre partie est consacr4e h l'dtude d'un dispositif
sous test simple compos6 de deux portes NAND connect6es en cascade. La simplicitd de
ce dispositif facilite la comprdhension du processus de perturbation. La deuxiAme partie est consacrde I l'dtude d'une carte dlectronique inspirde d'une carte rdalisant une fonction de sdcuritd sur le mdtro automatique
de Lille. Ce travail s'apparente h l'6tude d'un cas r6el et pratique. La sfiretd de fonctionnement est ici fondle
sur l'utilisation d'une redondance mat6rielle de la fonction suivie d'un comparateur de signaux.
Abstract. This paper deals with the susceptibility of digital electronic components depend- ing on the components' technology. The first part of this paper will present the results obtained
on a simple circuit under test composed of two digital gates interconnected together. The second part will deal with a practical case study of a printed circuit board representing an electronic
safety function on the automatic metro of Lille based on an active material redundancy.
Introduction
La compatibilitA Alectromagn4tique (CEM) est l'aptitude d'un 4quipement ou d'un systAme
h fonctionner de faqon satisfaisante dans son environnement Alectromagn6tique sans produire lui mAme de perturbations 61ectromagn4tiques intolArables pour quoi que ce soit darts cet environnement. Des 4tudes montrent que la mise aux normes CEM d'un systAme coilte d'autant
plus chAre qu'elle est effectu4e tardivement dans le processus de fabrication. Il importe donc de prendre en compte la CEM des produits dbs leur conception.
Nous nous intAressons darts cet article h la sensibilitA 4lectromagnAtique des systAmes Alec- troniques. Les perturbations produites au niveau d'un dispositif dlectronique se propagent par
© Les Editions de Physique 1995
conduction au niveau des sous-dispositifs pour arriver finalement aux dtages d'entrde/sortie
des composants dlectroniques. Le comportement de ces composants vis h vis des perturba-
tions intervient donc sur la sensibilitd globale du dispositif dlectronique. C'est pourquoi nous
Atudions la susceptibilitA des composants logiques dlectroniques selon leur technologie. Nous
analysons dgalement la silretd de fonctionnement d'un systbme redondant actif soumis h une perturbation dlectromagndtique, [es composants des voies du systbme (taut de technologies diff4rentes. L'objectif de cette dtude est de montrer l'importance du choix, en termes de CEM,
de la technologie des composants lors de la conception d'un systbme et de fournir, h terme, des informations pratiques pour aider [es concepteurs et [es ingdnieurs chargds de la sdcuritd h
choisir une technologie de composants.
1. #tude d'uu dispositif sous test simple
1.I. INTRODUCTION. Les travaUX eifectUds sUr des dispositiis SOUS test simples ConstitUds de composants dlectroniques logiques out r4vdld trois types de ddfauts sur les signaux selon le
niveau du perturbateur (Fig. 1) [1]. Des avarices ou des retards de signaux par rapport aux
instants id4aux de commutation apparaissent pour des amplitudes faibles du perturbateur [2-4].
Aux amplitudes un peu plus 41ev4es, des distorsions du front de transit logique ou pseudo- commutations sont observdes [4]. Enfin pour un couplage fort, les (tats logiques statiques sort
perturbds [5-7].
Notre travail consiste h caract4riser les d4fauts qui arri,,eat sur les (tats statiques pour des perturbations de forte puissance. Il complbte l'dtude statistique rdalisde par Coudoro [4] sur les retards ou avances de fronts logiques.
Pour des frdquences dlevdes de perturbations, des phdnombnes de redressement apparais-
sent dans [es jonctions PN. Les caractdristiques statiques des diodes ou transistors bipolaires
sort modifides, car la valeur moyenne du signal redressd change [es points de polarisation [8].
D'autre part, en premibre approche, on peut considdrer qu'au dell de sa fr4quence maximale de travail, le composant joue un r61e de filtre passe-bas. Pour des amplitudes dlevdes d'agres-
V
+5 $~~~ ~ V
Transit
~~ +5
Tmnv<
i,,,rm~>1
0 ~ ~
~
20 nslDiv 50 nslDiv I ~slDiv
a) b) c)
Pubsancedupenurhaeur +
~
Fig, I. Les dilfdrents types de ddfauts observds
sur des dispositifs sous test simples selon la puissance du perturbateur : a) Ddfauts du type avance ou retard de front, b) Pseudo-commutation, c) Ddfauts
statiques.
[The different types of faults observed on simple circuits under test depending on the power of the RF disturbance a) Timing faults, b) Pseudo-commutation, c) Static faults.]
sions dlectromagndtiques, Ies signaux en entrAe des composants sort redressds par les diodes de protection. Si ces signaux out une frdquence dlevde par rapport h la frdquence maximale de
travail des composants, leur valeur moyenne est dAtectde par les portes. La d4tection-filtrage
du signal redress4 gdnbre une tension de polarisation suppldmentaire qui se superpose h la tension de polarisation nominale. Cette polarisation supplAmentaire ddcale donc les niveaux de fonctionnement nominaux des composants et notamment le seuil de commutation (Rdf. [7],
pp. 86 h87). Les outils rdalisds au laboratoire et prdsentds darts cet article outil statistique et visualisation des extremums de tension du signal perturbd- rdvblent l'impact de ces ddcalages
sur [es signaux en sortie des composants.
I.2. DESCRIPTION Du DISPOSITIF sons TEST ET Du BANC DE MESURES. Les dtudes prdcd-
dentes out montrd que [es capacitds de ddcouplage suffisent h protdger [es signaux d'alimentation contre des perturbations dlectromagndtiques [5]. Nous nous intdressons donc h la perturbation
des dtages d'entr4e/sortie des composants.
Le dispositif sous test initial est constitu4 de deux portes inverseuses mont4es en cascade et de technologie identique (Fig. 2a). La mise en parallbli de deux dispositifs sous test permet de
tester deux technologies simuItan4ment et de simuler un systAme redondant simple (Fig. 2b).
La Iigne de transmission qui retie Ies deux inverseurs est soumise h un champ 4Iectromagn4tique gdn4r4 par une cellule de type "stripline" dans laquelle se propage une onde 41ectromagn4tique
plane (Fig. 2c). Le banc de mesures est entibrement automatis4.
Lors de l'4tude statistique, l'information qui transite sur le systbme est un signal carr4 de
fr4quence 1 MHz. Les signaux sont enregistr4s pour des fr4quences de perturbateur variant de 15 &IHz h 95 MHz par pas de 10 MHz et une amplitude variant de 50 V/m h 450 V/m par pas
de 50 V/m. Une fois tous [es signaux acquis, its sort traitAs h l'aide de l'outil statistique.
Lors de la visualisation des extremums de tension entre lesquels [es signaux de sortie varient,
Charge 5°Q
~ oscillowcpe
~
Cellule TEM "sbipline"
E~~_~~ ~~° ~°' ~ ~ ~
~~
~~~~'P~~""~
AInplWca1eur
B 8 kHz 225 MHz
4o dB 10 W
~ BUSGPIB Gdn&wur
0.I-llXY~MHz
b) c)
Fig. 2. a) Le dispositif sous test initial, b) Mise en parallAle de deux dispositifs sous test, c) Le bane
de mesures.
[a) The initial circuit under test, b) Two circuits under test in parallel, c) The test bench.]
l'entrde du dispositif sous test est constamment h l'dtat bas ou h l'dtat haut. La frdquence
du champ dlectromagndtique perturbateur varie de 15 MHz h 200 MHz par pas de 10 MHz et
l'amplitude de 0 V/m h une valeur approximative de 900 V/m.
1.3. LES OUTILS UTILIS#S POUR #TUDIER LB DISPOSITIF SOUS TEST SIMPLE
1.3.1. Pr1~lcipe de l'lltude statistique. Un ddfaut est l'dcart entre la caractdristique d'une entitd et la caractdristique voulue, cet (cart ddpassant des limites d'acceptabilitd. En ce qui
concerne les niveaux de composants logiques, les limites d'acceptabilit6 sort les tensions de
seuil donndes par les constructeurs. Le principe de l'dtude statistique est donc de comparer, dchantillon par dchantillon, le signal perturbd h un signal non perturbd dit de rdfdrence (Fig. 3).
Nous ddterminons trois (tats possibles. L'dtat bas si le signal est en dessous de la tension de
Tension
signal de
~~~ ~~~
nlfbewe 11
has
, ,
' ~)~ #tat haut
Signal
penudd '
: , ' has
, , ,
, , ,
£chantillon £chantillon £chantillon
earn£ non earn£ non earn£ ~~~P~
Fig. 3. Principe de l'Atude statistique. Le signal perturbd est compard au signal de rdfdrence. Si un dchantillon n'est pas dans Ie mime dtat que I'6chantiIIon de rdfArence correspondant, it est considdrd
comme errand.
[Principle of the statistical study. The disturbed signal is compared to the reference signal. If a sample
is not in the
same state as the corresponding reference sample, it is considered as erroneous.]
seuil niveau bas l~i, l'dtat haut si le signal est au-dessus de la tension de seuil l~h et l'dtat inddtermind. Si h un instant donna, l'dchantillon du signal perturbd ne se trouve pas darts le mAme (tat que l'dchantillon du signal de rdfdrence, celui-ci est considdrd comme errand. L'dtat
inddtermind est ainsi considdrd comme un (tat errand. Une fenAtre de 20 us est ddfinie autour de chaque front pour limiter l'dtude aux (tats statiques. Nous prdsentons dans cet article la
caractdristique la plus reprdsentative, h savoir le pourcentage de temps durant lequel les niveaux sent perturbds.
1.3.2. Mdtllode de mesures pour visualiser les extremums de tension entre lesquels les sig~laux perturbds varie~lt. Lorsque la frdquence du signal modulant est trAs infdrieure h la frdquence de la porteuse, le rdgime moduld en amplitude est localement dquivalent h un rdgime harmo- nique (Fig. 4). En utilisant une rampe comme signal modulant, nous obtenons donc un signal
harmonique dent l'amplitude varie lindairement avec le temps (Fig. 5). En entrde du dispo- sitif sous test, nous imposers un (tat logique bas ou haut et nous soumettons le systAme au perturbateur. Nous visualisons les courbes XY obtenues en mesurant la rampe du signal de
modulation sur la voie ~Y, et en mesurant la sortie du dispositif sous test sur la voie Y de
l'oscilloscope. La signification physique des courbes obtenues est expliqude figure 6.
" '
' i y k ' ~
~ ' -.-
$ (
~ '
,
~ l
~ ' i
'
Temps Temps
a) b)
Fig. 4. Composants de technologie TTL-ALS, frdquence du perturbateur 65 MHz. a) Rdgime ma-
duId en amplitude, E
= 88 V/m, m
= 100 % b) Rdgime harmonique pur, E
= 176 V/m. Lorsque
Iocalement I'amplitude du champ dlectromagndtique moduld en amplitude est maximale et agate 1 176
V/m, la perturbation observ6e est identique I celle produite par un champ harmonique d'amplitude
176 V/m.
[Components of TTL-ALS technology, Frequency of the RF disturbance 65 MHz, a) Amplitude
mo-
dulated disturbance, E
= 88 V/m,
m = 100%; b) Harmonic disturbance, E = 176 V/m. When the local amplitude of the modulated field is equal to 176 V/m, the faults are the
same as the faults due to the harmonic disturbance of176 V/m.]
Signal
Y
perturbateur
y
Temps ~
a) b)
Fig. 5. Signal moduld en amplitude utilisd pour visualiser I'excursion des ddfauts selon I'amplitude
du champ dlectromagndtique perturbateur. a) Courbes temporelles, b) Courbe de Lissajous.
[Amplitude modulated signal used to visualize the excursion of the faults depending on the amplitude
of the electromagnetic field, a) Time domain, b) XY curve.]
1.4. IMPACT DE LA PERTURBATION suR L'ALIMENTATION DES coMPosANTs. Lors de
nos expdriences, toutes les prdcautions sent prises pour dviter la perturbation des signaux
d'alimentation. La tension de 9 V fournie par une pile plate est ramende sur les dldments sous test au moyen de fits tressds collds au plan de masse. Le rdgulateur de tension est placd le plus prAs possible du composant h alimenter. Des capacitds de ddcouplage sent utilisdes.
Cependant, les graphes visualisant l'excursion des ddfauts scion l'amplitude du champ Alec-
tromagndtique semblent montrer que, contrairement aux composants de technologie CMOS, l'alimentation des composants de technologie TTL est perturbde pour des aInplitudes dlevdes
(Fig. 7a). En effet, pour cette technologie, l'excursion des ddfauts sur niveaux hauts (Fig. 7a),
suit celle de la perturbation (Fig. 5b). En ajoutant sur les cartes imprimdes des traversdes arm
Tension maX*Ul~
dusignal
~ '
Tension
~~~In minimale
en Volt
~
X
Champ d~ctrique Temps Temps
en V/m
Fig. 6. Les graphes donnant l'excursion des ddfauts selon l'amplitude du champ dlectromagn6tique
ne permettent pas de connaitre la variation temporelle des signaux. Ces graphes donnent les tensions minimales et maximales entre lesquelles le signal perturbs varie.
[The graphs give the minimal and maximal voltage between which the disturbed signal vary. The time domain of the signal is not visible.]
v v
3,76 3,76
llL-F 1,88 1,88
o o
0 450 900 Vim 0 450 900 Vim
v v
CMOS-HC 3,76 3>76
o o
0 450 900 Vim 0 450 900 Vim
a~ b>
Fig. 7. Excursion des dAfauts pour [es technologies TTL-F et CMOS-HC. Fr6quence du perturba-
teur 95 MHz. a) Une seule traversde relie la piste de masse c6tA composants au plan de r6fdrence, b)
Trois traversAes relient la piste de masse au plan de rAfArence.
[Excursion of the faults for the technologies TTL-F and CMOS-HC. Frequency of the perturbation of 95 MHz. a) A single crossing connects the ground track on the components'side to the ground plan, b) Three crossings connect the ground track to the ground plan.]
de relier directement la masse cbtd composants au plan de rdfdrence (et par consAquent h la
masse de la cellule), l'excursion des ddfauts observdes en sortie des composants TTL ne suit
plus celle de la perturbation (Fig. 7b). On en ddduit ainsi que la perturbation s'achemine par
Piste de masse cbt£ composants
-Travers£e
v
Plan de masse
a) b)
L v=zc*Ip
~~
ipB c) ~
Fig. 8. a) Lorsqu'une seule traversde connecte la piste de masse au plan de r6f6rence, une tension parasite apparait. b) La tension parasite disparait si une traversde est ajout6e. c) Premibre cause
susceptible de contribuer I la crdation de cette tension parasite : le champ dlectromagn6tique cr6e par couplage une force 61ectromotrice. d) Seconde
cause [es appels de courant qui apparaissent sur
l'alimentation I la mime frdquence que le perturbateur, gdnbrent une tension dans l'inductance de la piste de masse.
[a) When a single crossing connects the ground track to the ground plan, a voltage appears on the ground track, b) The voltage disappears if a crossing is added. c) First cause: a direct disturbance of the electromagnetic field. d) Second cause: the voltage is also due to the supply current flowing
through the impedance of the ground track.]
~ d~ '~ ~£
-~j ~~-
~~
V v V
3,76 3,76 3,76
1,88 1,88 1,88
0 0 0
0 450 900 Vim 0 450 900 Vim 0 450
0~
Vim
~ b) c)
Fig. 9. Composants de technologie TTL-LS, Perturbateur de fr6quence 95 MHz. De part les appels
de courant de I'alimentation du boitier de sortie, I'im pact de la perturbation (a) sur une porte inverseuse n'est pas le mime selon que la porte se situe sur le boitier de sortie (b)
ou sur un autre boitier (c).
[Components of TTL-LS technology, Frequency of the perturbation of 95 MHz. Because of the supply
current the graph b) and c) are not the same.]
les circuits d'alimentation pour des perturbations dlevdes.
Le fait que l'alimentation soit perturbde lorsqu'une seule traversde connecte la masse c6td composants au plan de rdfdrence, est sons doute dfi h l'apparition d'une diffdrence de potentiel
sur la piste de rdfdrence (Fig. 8a) qui disparait si on ajoute une traversde (Fig. 8b). Deux causes sent susceptibles de contribuer h l'apparition de cette tension parasitei
I) La premiAre cause est l'apparition d'une force dlectromotrice due au couplage du champ dlectromagndtique sur la surface ddlimitde par la piste de masse c0td composants (Fig. 8c).
iii La seconde cause est tide au fonctionnement interne des portes. Lors du fonctionnement normal d'une porte logique, la commutation du composant est accompagnde d'un fort
appel de courant fourni par l'alimentation et assimilable h une impulsion. Lorsque le signal
d'entrde est perturbd par un signal haute frdquence, les ddfauts peuvent Atre pergus par le composant logique comme des transitions logiques. L'alimentation fournit alors des
impulsions de courant dent la frdquence d'apparition est identique h la frdquence du
perturbateur. Le passage des courants de retour dons l'inductance de la piste engendre la tension parasite (Fig. 8d). Les traversdes ajoutdes notamment sur le circuit imprimd de l'inverseur de sortie permettent d'dcouler ces courants de retour par un chemin de basse
impddance.
Du fait des appels de courant sur l'alimentation du boitier de sortie, l'impact des pertur- bations sur une porte inverseuse situde sur le boitier de sortie peut diffdrer de l'impact des
perturbations sur une porte inverseuse situde sur un second boitier (Fig. 9).
1.5. COMPARAISON DE LA SUSCEPTIBILIT# DES TECHNOLOGIES EN R#GIME HARMONIQUE
Nous averts dtudid cinq families de la technologie TTL (LS, ALS, AS, F et S) et deux families
de la technologie CMOS (HC et HCU). Les statistiques rdvAlent un comportement diffdrent des composants selon qu'il s'agit de technologies TTL ou CMOS. Les composants de technologie
TTL sent perturbds uniquement sur les niveaux hauts tandis que les composants de technologie
CMOS sent perturbds de la mAme maniAre sur les deux niveaux. Cette diffdrence de compor- tement selon les niveaux est attribude h la dissymdtrie de l'dtage de sortie et surtout de l'dtage
d'entrde des composants TTL. Les dtages de sortie des composants CMOS sent par contre
TiL-Ls 9sw~
Nbre de niveaux hauts
20
R g
30~~~
%
~~~~~
~'~~~~~~~~~~~
- z~
_
V j
~ Cn Q
~ Q V ~ V
TempserronJ 4 q $ ~ ~
~ -
~° $
Fig. 10. Pourcentage de temps durant lequel les niveaux hauts sont perturbds. La frdquence du
perturbateur est de 95 MHz et les composants sont de technologie TTL-LS.
[Time percent during which the high level of the signal are disturbed. The frequency of the disturbance is 95 MHz and the components are in TTL~LS technology]
Diminution de la tension maximale du niveau normalement h I'£tat haut
Temps Temps
a> b>
Fig. II. Courbes temporelles obtenues pour un perturbateur de fr6quence 95 MHz et d'amplitude 450V/m, a) Technologie TTL-LS, b) Technologie TTL-AS.
[Time domain curves when the disturbance has a frequency of 95 MHz and an amplitude of 450 V/m.
a) Technology TTL-LS, b) Technology TTL-AS.]
TiL-AS 95Wh
ioo
Nbre de niveaux ~~
hauts
~ 400V/m
( f g
0~~~~Amphtudedu
champ
'~ ) v [ 2 ( g Jlectrique
-
_ ~ v co ~
- r~, v ~ j ~ ~
~ g, V
v j
TempserronJ ~ G
, v
~ 4 ~
Fig, 12. Pourcentage de temps durant lequel les niveaux hauts sont perturb6s. La fr6quence du
perturbateur est de 95 MHz et les composants sont de technologie TTL-AS.
[Time percent during which the high level of the signal are disturbed. The frequency of the disturbance
is 95 MHz and the components are in TTL-AS technology.]
symdtriques, ce phdnomAne n'apparait donc pas [9]. La technologie CMOS affiche globalement
une susceptibilitd dlectromagndtique infdrieure h la technologie TTL.
Au sein de la technologie TTL, les families ALS et LS d'une part, et les families F et AS d'autre part, ant des comportements similaires. A 95 MHz, nous constatons qu'h partir d'une
amplitude de 300 V/m, les niveaux hauts des families LS et ALS sent totalement perturbds (Fig. 10). Ce rdsultat statistique est dli h une baisse de la tension maximale de sortie (Fig. 11a).
La tension maximale de sortie des composants des families AS et F ne baissant pas (Fig. 11b),
le pourcentage de temps pendant lequel les niveaux hauts sent perturbds plafonne h 41 % (famille AS) ou 55 % (famille F) (Fig. 12).
