Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych

Wpływ konstrukcji cyfrowych układów scalonych
na generację zaburzeń elektromagnetycznych
dr JULIUSZ SZCZĘSNY
Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa
W artykule przedstawiono wyniki pomiarów emisji zmiennych
pól EM w funkcji częstotliwości taktowania, generowanych
przez układy scalone w formie matryc FPGA, zawierające
często spotykane bloki funkcjonalne, rozmieszczone
w różnych miejscach struktury półprzewodnikowej [1,2]. Opracowano
w tym celu dwa projekty układów scalonych mających
za zadanie mnożenie liczb w nieskończonej pętli programowej.
Pierwszy z projektów wykorzystywał algorytm mnożenia
kombinacyjnego a drugi sekwencyjnego. Projekty te były dodatkowo
modyfikowane w celu zmiany liczby i topologii aktywnych
bramek logicznych. Każdy projekt układu scalonego
był implementowany do matrycy cyfrowej Xilinx typu XCV 800.
Zmiany konfiguracji oraz liczby bloków funkcjonalnych wykorzystywanych
przez każdy z projektów pozwoliły określić
wpływ ich rozmieszczania na indukcyjność doprowadzeń,
a tym samym na poziom generowanych zaburzeń.
Układy pomiarowe
Do badania wykorzystano matrycę cyfrową firmy Xilinx z rodziny
Virtex, typu XCV 800. Jej podstawową zaletą w tego typu
badaniach jest możliwość wielokrotnego programowania tzn.
zmiany konfiguracji bloków logicznych za pomocą firmowego
oprogramowania, zainstalowanego w zewnętrznym komputerze
typu PC [3,4]. Matryca (800 000 bramek [5]) jest układem
scalonym wielkiej skali integracji, wykonanym w technologii
CMOS 0,22 µm z pięcioma poziomami metalizacji.
Płytka obwodu aplikacyjnego została wykonana z laminatu
jednowarstwowego i zawiera podstawowe obwody elektryczne
i wyprowadzenia umożliwiające matrycy cyfrowej stabilną
pracę i komunikację z zewnętrznymi urządzeniami.
Sondy pomiarowe
Do pomiarów emisji EM wykorzystano mikrosondę magnetyczną
i elektryczną firmy Langer EMV-Technik. Mikrosonda
elektryczna typu RF 2,5-2 przeznaczona jest do pomiarów
zmiennych pól magnetycznych o częstotliwościach od
100 kHz do 1 GHz. Elementem czynnym jest tu pętla indukcyjna
o średnicy około 0,5 mm. Małe rozmiary elementu
czynnego tej sondy pozwalają na pomiary rozkładów składowej
zmiennej pola magnetycznego emitowanego z niewielkiej
powierzchni. Sonda elektryczna typu RF E05
przeznaczona jest natomiast do pomiarów składowych
zmiennych pola elektrycznego w takim samym paśmie częstotliwości.
Element czynny tej sondy ma wymiary 2 x8mm.
Obydwie sondy zakończone są przewodem współosiowym
i wtykiem BNC o impedancji 50 Ω. W celu zwiększenia
czułości sond zastosowano szerokopasmowy przedwzmacniacz
20 dB typu PA 201. Wartości składowej magnetycznej
i elektrycznej pola EM przedstawiono graficznie w jednostkach
napięcia indukowanego w każdej z sond, gdyż firma
Langer EMV-Technik nie udostępnia krzywych kalibracyjnych
do używanych tu sond pomiarowych.
Układ do pomiaru poziomu emisji pola EM
Pomiary poziomu emisji składowej H i składowej E emitowanego
pola EM przeprowadzono za pomocą sondy magnetycznej
typu RF 2,5-2 i elektrycznej typu RF E05 wraz
z przedwzmacniaczem typu PA 201 oraz cyfrowym oscyloskopem
firmy LeCroy typu 9374L. W celu uniknięcia zafałszowywania
wyników pomiarowych przez przypadkowe
impulsy zewnętrzne, które w czasie pomiarów mogą przeniknąć
do układu pomiarowego z sieci energetycznej lub otoczenia,
każdy z pomiarów powtórzono około 100 razy i obliczono
wartość średnią.
Układ do pomiaru widma składowej H i E pola EM
Układy do pomiaru widma częstotliwości składowych H i E
pola EM składają się z omówionych wyżej sond pomiarowych
wraz z przedwzmacniaczem, wirtualnego analizatora widma
firmy EMC Master typu ST100W wraz z oprogramowaniem
firmowym i komputera sterującego klasy PC. Pasmo pracy
analizatora widma wynosi 0,15 MHz...1 GHz pokrywa się
z pasmem pracy sond pomiarowych i przedwzmacniacza.
Projekty układów scalonych
Do badań poziomu generowanych zaburzeń opracowano dwa
projekty układów scalonych do mnożenia liczb, wykorzystujące
metodę kombinacyjną, zwaną również równoległą (projekty
comb) i metodę sekwencyjną (projekty seq). Obydwa
sposoby mnożenia liczb są często wykorzystywane w dużych
projektach układów scalonych. Mimo tego, że wykonują to
samo działanie matematyczne, różnią się stopniem skomplikowania
struktury logicznej oraz szybkością działania. Metoda
mnożenia kombinacyjnego charakteryzuje się większą szybkością
działania niż metoda mnożenia sekwencyjnego, dlatego
znajduje zastosowanie w projektach, w których
wymagany jest krótki czas wykonania działań na liczbach.
Metoda mnożenia sekwencyjnego jest zwykle wolniejsza, ale
bardziej uniwersalna, gdyż daje się zrealizować w postaci pozwalającej
wykonywać jeszcze inne działania arytmetyczne.
Do opracowania projektu układów mnożących wykorzystano
relatywnie niewielką liczbę bramek, dzięki czemu można
było zaobserwować wpływ zmian rozmieszczenia i liczby bloków
funkcjonalnych w obszarze matrycy cyfrowej na poziom
generowanych zaburzeń [6,7]. Przy prowadzeniu badań porównawczych
nie są istotne szczegóły dotyczące realizacji
każdego z projektów. Ważne jest natomiast to, żeby we
wszystkich badanych projektach układów scalonych były wykonywane
modyfikacje według tych samych reguł. Dlatego
w procesie kompilacji plików źródłowych wykorzystano standardowe
procedury optymalizacji pod kątem minimalizacji
liczby bloków funkcjonalnych i szybkości działania. Modyfikacje
dotyczące zmniejszenia liczby aktywnych bloków, polegały
również na usunięciu bloków I/O z badanych projektów.
ELEKTRONIKA 11/2009 129