FACULTEIT
ELEKTROTECHNIEK
Vakgroep Elektrisehe Energieteehniek Hoogspannings- en EMC Groep
EMC bij meerlaagsprintplaten; gevoeligheid voor en generatie van stoorstromen door: H.I. Zwier EH.97.A.149
De faculteit Elektrotechniek van de Technische Universiteit Eindhoven aanvaardt geen verantwoordelijkheid voor de inhoud van stage- en afstudeerverslagen.
Afstudeerwerk verrieht 0.1. v.:
Dr. A.P.I. van Deursen Ir. F.B.M. van Horek Ing. P.R. Bruins
April 1997
TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN
SUMMARY An electronic circuit is often des~gned by computer; an analogue or digital simulator then might test the design before realization. Nevertheless, the prototype on the printed circuit board (PCB) often does not meet the design goals: the circuit does not function as it should, and/or it does not comply with the EMC regulations. Redesigns are expensive and time consuming. A set of basic EMC design rules could help the designer and speed up the realization, thus shortening the time to market. These EMC design rules (F. van Horck's future thesis) are based on analytical or numerical calculations, and are tested for several types of multilayer PCB's: 1) 2) 3)
with straight or bent traces, but without electronic devices; with continuous ground planes or ground planes with slits; with sinusoidal test signals or with digital logic devices.
In EMC terminology the circuits on the PCB are called differential mode (OM) circuits. Two couplings can be distinguished, a) between the OM circuits and b) between the OM circuits and the circuit which comprises the environment. The latter circuit is called the common mode (CM) circuit. Both couplings are described by a transfer impedance Zt and a transfer admittance Y t • The long cables which might be attached to the PCB act as large antennas. The OM current inside the cable is the intended signal. The CM current through the cable is the interference, either received or emitted. In a first approximation one assumes a 150 n radiation impedance for the cable. The driving source may be the PCB via the OM to CM coupling. The investigations aim to model this source in a simple but accurate way. Both OM-CM and OM-OM-coupling were measured. The measurements on PCB's type 1) and 2) are carried out with a spectrum analyser between 10Hz and 1.8 GHz. The PCB's of type 3) carry HCT and HLL CMOS logic circuits with clock frequencies between 10 and 100 MHz; we used a 4 GHz digital oscilloscope. Elementary EMC precautions guaranteed that only the desired effects were measured. Automation of the measurements facilitated data retrieval. The measurements have been compared to simulations by F. van Horck. Presently measurements and the special transmission line model agree well up to 600 MHz, for all types of PCB's with a length of 200 mm.
/
INHOUDSOPGAVE 1. INLEIDING
, . . . . . . . . . ..
4
,...... 2. MEETMETHODEN , , 2.1. Opbouw van de multilayer printen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.2. Meetopstellingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.2.1. De Bersier-opstelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.2.2. Differential-Mode naar Differential-Mode meetopstelling ..... 2.3. Meetmethoden, gebruikte apparatuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.3.1. Metingen tussen 10Hz en 1 MHz; Lock-in amplifier . . . . . . .. 2.3.2. Metingen tussen 100 kHz en 50 MHz; Network analyser en stroomsensor 2.3.3. Metingen tussen 300 KHz en 1.8 GHz; S-parameter testset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.3.4. Metingen in het tijddomein; Inductieve stroommeting
5 5 6 6 6 7 7
3. METINGEN IN HET FREQUENTIE-DOMEIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.1. Bepaling van de karakteristieke grootheden van de gebruikte printen 3.1 .1. Bepaling van de dielectrische constante van de drager .,.... 3.1.2. Bepaling van de dikte van de koperlaag , . . . . . . .. 3.2. Bepaling van de invloed van de PVC-klemmen op de dielectrische con stante 3.3. Bersier-metingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.3.1. 5 Centimeter brede print met rechte sporen . . . . . . . . . . . .. 3.3.2. 10 Centimeter brede print met een spoor met 2 haakse bochten 3.3.3. 10 Centimeter brede print met een meanderend spoor 3.4. DM-DM-metingen 3.4.1. 5 Centimeter print met rechte sporen . . . . . . .. 3.4.2. 10 Centimeter brede print met een spoor met 2 haakse bochten 3.4.3. CM-stromen in de DM-DM-opstelling 3.4.4. 10 Centimeter brede print met een meanderend spoor
9
4. ONTWERP VAN DE DEMONSTRATIE-PRINTEN 4.1. De digitale schakeling 4.2. Logica-families en hun karakteristieke grootheden . . . . . . . . . . . . .. 4.3. Ontwerp van de voeding 4.4. Parameters van de gebruikte kristaloscillatoren . . . . . . . . . . . . . . .. 4.4.1. Karakteristieken van de oscillatoren in onbelaste toestand . .. 4.4.2. Be'invloeding van de stijg- en daaltijd door capacitieve belasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.5. Dimensionering en plaatsing van de inductieve DM-stroommeetlus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.5.1. Berekening van de DM-stroom-golfvorm ..... ,......... 4.5.2. Formule voor de mutuele inductie van de stroom-meetlus. 4.5.3. Dimensionering van de inductieve stroomsensoren . . . . . . .. 4.6. Karakteristiek afsluiten van het signaal-spoor 4.7. Definitieve ontwerpen van de demonstratie-printen
7 8 8
9 9 9 10 10 10 12 12 13 13 14 15 16 17 17 17 18 19 19 20 21 21 21 22 22 23
5. METINGEN AAN DE DEMONSTRATIE-PRINTEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5.1. Gemeten stroomvormen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5.2. Bersier-metingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5.3. DM-DM-metingen
24 24 25 26
6. PRINTEN MET EEN SPLEET IN HET AARDVLAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.1. Bersier-metingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.2. DM-DM-metingen
28 28 29
7. CONCLUSIES en BEVINDINGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
30
8. L1TERATUURLlJST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
32
NAWOORD
33
, . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. ..
Bijlage 1. Mechanische tekeningen van de meetopstellingen
B.1
Bijlage 2. Nadere gegevens van de gebruikte apparatuur . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
B.3
Bijlage 3. S-parameter test-set. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
B.4
Bijlage 4. Berekening van de stroomvorm bij CMOS-schakelingen
B.7
Bijlage 5. Automatisering van meetopstellingen met Labview
B.10
Bijlage 6. Lijst van uitgevoerde metingen
B.15
1. INLEIDING Vaak wordt een elektronische schakeling met een computer ontworpen en in een analoge of digitale simulator getest voor de realisatie. Toch blijkt een prototype op een printed circuit board (PCB) niet te voldoen vanwege EMC: of de schakeling werkt niet als bedoeld, of ze voldoet niet aan de EMC eisen. Redesigns zijn kostbaar, het zoeken van de fout(en) kost veel tijd. Eenvoudige EMC ontwerpregels bieden dan hulp. Deze regels (promotieonderzoek F. van Horck) worden analytisch of numeriek berekend en getest op werkelijke PCB's: 1) 2) 3)
met aileen rechte sporen of kronkelende sporen zonder elektronica; met logische schakelingen van verschillende families; met een doorlopend aardvlak en PCB's met een aardvlak met een onderbreking.
We onderscheiden twee koppelingen: a) tussen de signaalcircuits (differential mode of DM-circuits) onderling en b) tussen de signaalcircuits en de stroomkring die in de omgeving van het PCB stuit (het common mode of CM-circuit). Beide koppelingen worden uitgedrukt in een transferimpedantie ~ en een transferadmittantie Y t • Voor de goede werking van de schakeling moet in ieder geval de koppeling a) van DM naar DM in de hand gehouden worden. De koppeling b) bepaalt de gevoeligheid van de schakeling voor storingen van buiten en de produktie van storingen naar de buitenwereld door de schakeling. De lange kabels die aan een PCB zitten werken als zend- en ontvangstantennes voor de CM stroom. In een zgn. Bersier-opstelling worden de kabels vervangen door een 150 n meetweerstand tussen het aardvlak van de PCB en een tweede vlak dat de omgeving definieert. De 150 n stelt de stralingsweerstand van de kabel als antenne in resonantie voor. Eerder onderzoek betrof PCB's met rechte sporen. Dit afstudeerwerk handelt over de PCB's genoemd onder 1) en 3); deze metingen zijn uitgevoerd in het frequentiedomein met een spectrumanalyser tot 1.8 GHz. Een onderbreking in een aardvlak dwars op de stroomrichting verhoogt zowel de koppeling a) als b) dramatisch. We tonen dit aan voor onderbreking over 3 mm en 50 mm lengte van het printspoor, loodrecht op dat spoor. De HCT en HLL logische families op de PCB's onder 2) hadden een klokfrequentie tussen 10 MHz en 100 MHz; voor deze metingen gebruikten we een digitale oscilloscoop met een sample snelheid van 4 GHz. De nodige EMC maatregelen rond de testopstelling garandeerden dat de onderzochte effecten zuiver gemeten werden. Veel werk is besteed aan het automatiseren van een aantal meetopstellingen. Daardoor kunnen nu en in de toekomst vele situaties gemeten worden. De simulaties zijn uitgevoerd door F. van Horck; hij gebruikte berekende koppelparameters en de gemeten signaalstromen en -spanningen. Voor de nanoseconde snelle signalen gebruikt hij de theorie van gekoppelde transmissielijnen. Op het moment van schrijven is er goede overeenstemming met de metingen tot ca. 600 MHz, voor aile PCB's met een vast gekozen lengte van 0.2 m lengte.
4
2. MEETMETHODEN 2.1. Opbouw van de multilayer printen Aile metingen zijn uitgevoerd aan multilayer prints, twee lagen met sporen en daartussen een aardvlak (GP). In verband met de montage van het aardvlak op een koperstrip (K) (fig.2.1.b) is het niet mogelijk een echte multilayer print te gebruiken. De multilayer prints worden daarom opgebouwd uit twee delen, boven een dubbelzijdige print, met aan een kant de sporen 1 en 3 en aan de andere kant het aardvlak, onder een enkelzijdige print met de sporen 2 en 4 (fig.2.1.c). De sporen 2 en 4 (onder) zijn steeds dezelfde, de vorm van sporen 1 en 3 varieert; recht, met een knik of meanderend. De printen worden op elkaar geklemd met klemmen vervaardigd uit PVC of met dun dubbelzijdig kleefband. De stromen en spanningen worden toegevoerd en gemeten met behulp van SMAconnectoren die op een messing plaat (M) van 20 x 200 mm gemonteerd zijn. Ook het aardvlak is met deze plaat verbonden. De kabels (RG223) naar de meetapparatuur zijn steeds 50 cm lang. Aan het eind worden de sporen, bij de metingen over een continu spectrum, met het aardvlak verbonden, hetzij rechtstreeks (kortsluiting), hetzij met de karakteristieke impedantie 68 O. De 1.5 mm dikke drager van de printen bestaat uit glasvezel en epoxy. De dikte van de sporen en het aardvlak is 30 a 35 Jim. De breedte van de sporen is steeds 1.5 mm. Dit geeft een karakteristieke impedantie van ongeveer 68 O.
K 1,3
M b)
1
GP
2·· ..
1 3
1,5 mm$: ----- -.. --- IJ30~m 1,5 mm a)
'- ------- -- -'~ c)
2 4
Figuur 2.1. al Overzicht van de opstelling; b) Zijaanzicht frontplaat met SMA-connectoren; c) dwarsdoorsnede van de print
5
2.2. Meetopstellingen 2.2.1. De Bersier-opstelling Deze is afgeleid van een voorstel dat in 1983 door R.Bersier en B.Szentkuti gepresenteerd is op de EMC-conferentie in Zurich. Gemeten wordt de verhouding van de CM-stroom in een aangesloten kabel ten opzichte van de DM-stroom op de print. De CM-stroom is een maat voor de geleide emissie, die vaak bij pre-compliance metingen wordt bepaald. De CM-stroom wordt gemeten over een weerstand van 150 Q. Deze weerstand komt overeen met de gemiddelde stralingsimpedantie van een kabel. De 150 Q weerstand wordt samengesteld uit een weerstand van 100 Q in serie met de 50 Q impedantie van het aangesloten meetapparaat. In figuur 2.2. is de opstelling schematisch weergegeven voor injectie op het bovenste spoor, de overige sporen zjjn niet aangesloten.
~.. -:::-:-:::-:-:.:....::::-:-:-:-:.:... :-:-:::::-:::::::::-:-::i=U" ~9~::::····-··················~·····:·:-:·:·:·:·:·:·:·:.~-:-:-:-:.:-:-:-:.:.:-:-_ 50
Figuur 2.2. Schematische weergave van de Bersier-opstelling
Tekening met afmetingen zie bijlage 1.
2.2.2. Differential-Mode naar Differential-Mode meetopstelling Bij de Differential-Mode naar Differential-Mode (DM-DM) metingen wordt de koppeling tussen twee sporen onderling gemeten. Deze twee sporen kunnen aan dezelfde zijde van de print liggen, maar ook elk aan een andere kant van het aardvlak. De voor deze metingen gebruikte opstelling is afgebeeld in figuur 2.3.
~ulddm
.-.:.:.
~
:.:.: ::::
:. :::::::::::::::--..
:
::: ..'. .
Figuur 2.3. Schematische weergave van de DM-DM meetopstelling
Tekening met afmetingen zie bjjlage 1.
6
2.3. Meetmethoden, gebruikte apparatuur 2.3.1. Metingen tussen 10Hz en 1 MHz; Lock-in amplifier Het signaal op het injectie-spoor wordt geleverd door een generator (11. Deze levert een sinusvormige spanning. De ge'injecteerde stroom meten we met een stroomprobe (2) in combinatie met een multimeter (3). Met een omreken-factor Multimeter Test print is hieruit de stroom te be palen. Het signaal van de stroomprobe dient als referentie voor de lock-in amplifier (4). Met de meet-ingang van de lock-in amplifier wordt de gekoppelde spanning, Figuur 2.4. Meetopstelling met lock-in amplifier, voor ten gevolge van de ge'injecteerde stroom, OM-OM koppeling gemeten. De lock-in amplifier meet de amplitude van de spanning en de fasehoek ten opzichte van de referentie (de ge'injecteerde stroom).
Deze opstelling is geautomatiseerd met behulp van het computerprogramma LabView. Na het starten van het besturingsprogramma moeten de begin- en eindfrequentie, de amplitude, de omrekenfactor van de stroomprobe, het sweeptype (Iineair of logaritmisch) en het aantal meetpunten worden ingesteld. Daarna zorgt het programma ervoor dat de generator steeds de juiste frequentie en amplitude afgeeft, verder leest het de meetwaarden van de multimeter en lock-in amplifier en schrijft alles weg in een file, (Format: Frequentie, Spanning lock-in, Hoek lock-in, Stroom). Zie bijlage 5 voor meer informatie over het stuurprogramma.
2.3.2. Metingen tussen 100 kHz en 50 MHz; Network analyser en stroomsensor In het verleden was de lock-in amplifier meting maar tot 100 kHz te gebruiken en de s-parameter meting pas vanaf .................. 300 Khz. Om dit gat op te vullen werd .... .................. gemeten met de network analyser met daaraan een stroomsensor. Omdat de nieuwe lock-in amplifier tot 1 MHz kan meten is deze meting eigenlijk overbodig Print geworden. Omdat de nieuwe lock-in amplifier nog nooit gebruikt was is deze I I I meting bjj de eerste printen ter controle I toch uitgevoerd. Nadat duidelijk was dat de lock-in metingen betrouwbaar zijn, is Figuur 2.5. Meetopstelling met de network analyzer, deze meting niet meer uitgevoerd. weergegeven voor OM-OM meting.
De interne trackinggenerator van de network analyser injecteert het signaal direct in een spoor. De amplitude van de ge'injecteerde stroom wordt met een inductieve stroomsensor gemeten, bestaande uit een Ius die evenwijdig aan de as van de kabel gemonteerd is. Met een omrekenfactor is uit de sensorspanning de stroom te berekenen. (fig.2.5.)
7
2.3.3. Metingen tussen 300 KHz en 1.8 GHz; S-parameter test-set De s-parameter test-set wordt aangesloten op de network NetWO;i<···.·.·.·.·.··.·. analyser. S-parameters geven aan welk percentage van AiiEitySer.::~ •• ~ ••/,:. het ge'injecteerde vermogen wordt gereflecteerd, en welk percentage wordt doorgegeven. Hieruit kunnen ingangs-, uitgangs- en transferimpedantie berekend worden, zie ::~o/t:r::~~~~C:: bijlage 3. (fig.2.6.)
:.~#wn:
Print
Figuur 2.6. Meetopstelling met Sparameter test-set, voor DM-DM koppeling
2.3.4. Metingen in het tijddomein; Inductieve stroommeting Bij de digitale demonstratie-printen is de Oscilloscoop ge'injecteerde stroom niet langer 011 u~ afkomstig van een externe generator. De 012 stroomsensor moet daarom op de print worden aangebracht. Oeze bestaat uit een Ius die naast het signaalspoor ligt. Figuur 2.7. Schematische weergave van de tijd-
De gekoppelde spanningen en de domein meting aan de demonstratie-printen uitgangsspanning van de stroommeetlus, worden gemeten met behulp van een digitale oscilloscoop. am uit de gemeten uitgangs-spanning van de stroommeetlus de werkelijke stroom te berekenen wordt eerst het spectrum van de gemeten spanning bepaald, omdat de omrekenfactor in het frequentie-domein makkelijk te bepalen is. Het spectrum wordt vermenigvuldigd met een integratiefactor en daarna teruggetransformeerd. Ook deze opstelling is met behulp van LabView geautomatiseerd. De oscilloscoop heeft een interne diskdrive, maar daarop kan slechts een kanaal per file worden opgeslagen. Met behulp van het geschreven besturingsprogramma kunnen maximaal 4 kanalen plus de tijdinformatie worden opgeslagen in een file. (Format: Tijd, Kanaal 1, Kanaal 2, Kanaal 3, Kanaal 4). De vier kanalen worden als voigt gebruikt: Bersier-meting; Kanaal 1 = OM-stroomsensor, Kanaal 2 = eM-spanning. OM-OIVl-koppeling; Kanaal 1 = OM-stroomsensor, Kanaal 2 = OM-spanning spoor 2, Kanaal 3 = OM-spanning spoor 3, Kanaal 4 = OM-spanning spoor 4. (Zie bijlage 5 voor uitgebreidere informatie)
8
3. METINGEN IN HET FREQUENTIE-DOMEIN 3.1. Bepaling van de karakteristieke grootheden van de gebruikte printen 3.1.1. Bepaling van de diiHectrische constante van de drager De gebruikte printen hebben glasvezel versterkt epoxy als drager. Voor de diEHectrische constante van dit materiaal wordt een waarde van ± 4.7 opgegeven. Ter verificatie is de waarde ook met een meting bepaald. Hiervoor is een dubbelzijdige print gebruikt. De ene kant is volledig bedekt met een koperlaag, de andere kant met een koperlaag die rondom 1 cm van de randen af blijft om randeffecten te verkleinen. Deze print is in feite een vlakke plaat condensator, met de glasvezelversterkte epoxy drager als dielektricum. De capaciteit van de condensator is afhankelijk van de oppervlak van het kleinste kopervlak (A), de dikte van de drager (h) en de relatieve dielectrische constante van de drager (c r ).
c
=
Hierin zijn de randeffecten verwaarloosd. Omdat zowel het oppervlak als de dikte te meten zijn, is de relatieve dielectrische constante te bepalen uit een meting van de capaciteit. Daartoe wordt ieder vlak met de aansluiting van een SMA-connector verbonden. Vervolgens wordt de impedantie van het geheel gemeten met behulp van de s-parameter test-set. Dit levert in eerste instantie de capaciteit van de condensator parallel met de capaciteit van de connector op. Bij hogere frequenties gaat de zelfinductie van de aansluitdraden een rol spelen. Gr
=
( Ccorulensa/Or
Cconnector)
-
h o
eA
De gemeten waarde is Ccondensator = 76,5 pF. Hieruit is de dielectrische constante te bepalen. De afmetingen van het printje zijn 100 x 25 mm, dikte 1.5 mm en Cconnector = 1.2 pF, waaruit voigt: c r = 5.1. Ais rekening wordt gehouden met een meetonzekerheid van ± 10% blijkt 4.6 ::s c, ::s 5.6. De in de literatuur opgegeven waarde van 4.7 valt binnen deze range, deze waarde is in de modellen toegepast. 3.1.2. Bepaling van de dikte van de koperlaag De dikte van de koperlaag kan bepaald worden uit de meting van de gelijkstroomweerstand van een spoor. De soortelijke weerstand (p) van zuiver koper is 1.7 x 10-8 Om bij OOC + 1 % per 3°C. Bij 20°C levert dit 1.8 x 10-8 Om. Omdat de weerstand van een stukje koperspoor klein is wordt een vierdraadsmeting toegepast. De weerstand van het spoor is gelijk aan:
R
1
o R = -b -
=
~ d
1
JJ
Bij de meting werd een stroom van 2,00 A door een spoor van 200 x 1.4 mm gestuurd en een spanning van 0.1719 V gemeten, R = 86 mO. Ais voor de spanning- en stroommeting een tolerantie van 2%, en de soortelijke weerstand 10% wordt verondersteld, ligt de gemiddelde dikte van het koper op 29.9 ± 4.2 pm.
9
3.2. Bepaling van de invloed van de PVC-klemmen op de dielectrische constante Omdat de PVC klemmen op een plaats zitten waar de veldlijnen tussen sporen aan de boven- en onderkant van de print lopen kunnen deze klemmen invloed hebben op de koppeling. am deze invloed te bepalen is een versehilmeting gedaan. Eerst werden de 2 printen met klemmen (I = 10 em, b = 5 em, h = 2 em) op elkaar geklemd, en later met dubbelzijdig kleefband aan elkaar geplakt. De breedte van de print is 5 em. De sporen liggen 5 mm San uit het midden, 1.5 mm boven en onder het aardvlak. Uit de grafieken blijkt dat de versehillen die het gebruik van de PVC klemmen oplevert niet zodanig zijn dat de gewenste nauwkeurigheid (6 Db) niet gehaald wordt. 10- 31::::::::::::::::::;=---'---'-'--LJ-L-'-'--_~-'-----,----"'---'--'--'-'--'_------L-----"'----'----'--'~
8 10
Frequentie [Hz]
8 10
9 10
Figuur 3.1. Vergelijking transferimpedantie 5 em print met reehte sparen, met en zander PVC klemmen.
Zolang de klemmen niet in de weg zitten, bijvoorbeeld wanneer eomponenten dieht bij de rand worden gemonteerd, kunnen de klemmen gebruikt worden.
3.3. Bersier-metingen Tijdens deze afstudeerperiode zijn aan een aantal printen met versehillende lay-out van sporen metingen uitgevoerd. Een complete lijst van de metingen is te vinden in bijlage 6. Hier wordt een seleetie van de belangrijkste metingen vergeleken met de berekeningen. In de praktijk blijkt de Bersier-meting, die iets zegt over de DM-CM koppeling, belangrijker te zijn dan de DM-DM-meting. Daarom worden eerst de Bersier-metingen besehreven en daarna de DM-DM-metingen. De DM-DM-koppeling is vooral belangrijk voor de verfijning van het model, omdat dit een kritiseher test is.
3.3.1. 5 Centimeter brede print met rechte sporen Ter verduidelijking van de methode zijn de figuren 3.2 en 3.3 opgenomen. Hierin is de verhouding tussen de DM-stroom (ge'lnjeeteerd) en de CM-stroom. De print is 5 x 20 em en heeft reehte sporen. In figuur 3.2 zijn de sporen aan het eind kortgesloten naar het aardvlak, in figuur 3.3 zijn ze karakteristiek afgesloten. De gestreepte lijnen zijn de berekende waarden, volgens een gekoppeld transmissielijnen-model [Hor96].
10
10'
::;:
10'
m~-
~
Ilerek8nd
-
,!i
.....
a
10.....
10" 1rJ'
fnoquentle[Hz)
7
10
10"
Figuur 3.2.a Verhouding CM-/ge'injecteerde stroom, kortgesloten spoor, bovenkant van de print
....
10'
.5
m-
GerT-.. Elerekend
.~
.....
-
~
Figuur 3.2.b Verhouding CM-/ge'injecteerde stroom, kortgesloten spoor, onderkant van de print
10"'"
Figuur 3.3.a Verhouding CM-ge'injecteerde stroom, karakteristiek afgesloten spoor, bovenkant van de print
10' ::J:
Ji
.....
[20~ 5crn
~
Figuur 3.3.b Verhouding CM-ge'injecteerde stroom, karakteristiek afgesloten spoor, onderkant van de print
In beide figuren is duidelijk te zien dat de eM-stroom bij gelijkblijvende OM-stroom en toenemende frequentie sterk toeneemt. Oit duidt op de overwegend inductieve koppeling. De metingen en berekeningen van de situatie met kortgesloten spoor (fig.3.2.a en b) komen zeer goed overeen. Aileen is te zien dat de resonantiepieken in de berekeningen scherper zijn. Oit duidt op meer demping dan in werkelijkheid. Oe metingen en berekeningen met karakteristiek afgesloten sporen (fig.3.3a en b) wijken meer af, namelijk ongeveer een factor 5 (14 dB) tussen 300 en 400 MHz, terwijl een afwjjking van maximaal 6 dB (factor 2) wenselijk is. Wei dient hierbij te worden opgemerkt dat de waarde van de stroomverhouding in het resonantiegebied hier een factor 100 lager ligt dan bij kortgesloten sporen.
11
3.3.2. 10 Centimeter brede print met een spoor met 2 haakse bochten In de figuren 3.4.a en 3.4.b is de verhouding tussen DM- en eM-stroom afgebeeld met een kortgesloten resp. karakteristiek afgesloten spoor. Het spoor heeft de vorm die aangegeven is in de linker bovenhoek van de figuren.
'0-'
:!: .5
"-
E
.2
20CIft
[3"5-.
GemeIIln Beteksnd
'0..
'0_
. t,..
10- 3
Figuur 3.4.a Verhouding CM- en ge"injecteerde stroom van een spoor met 2 haakse bochten, kortgesloten
10-'
::!:
.i "E .2
-a
SlC_
[3"e_
~
Betek8nd
'0_
'0"",
. t,...
:--
---
If
10
Figuur 3.4.b Verhouding van de CM- en ge"injecteerde stroom bij een print met 2 haakse bochten, karakteristiek afgesloten
Bij de print met rechte sporen (fig.3.2.a) treedt de eerste resonantiepiek op bij 200 MHz. De eerste resonantie frequentie ligt bij deze print op 160 MHz. Door de extra lengte van het loodrechte gedeelte wordt de resonantie, zoals te verwachten was, verlaagd. De verhouding van de resonantiefrequenties is gelijk aan de verhouding van de spoorlengtes (25 : 20 = 200 : 160). De berekende stroomverhouding komt nog steeds redelijk goed overeen met de metingen. Bij de meting met kortgesloten spoor is de grootste afwijking een factor 4 (12 dB) bij 250 MHz. Bij de meting met karakteristiek afgesloten spoor is vooral opmerkelijk dat bij de metingen een opslingering ontstaat bij 210 MHz. Deze is niet aanwezig in de berekende curve. De afwijking bedraagt in dit gebied een factor 3.3 (10 dB). Deze afwijkingen zijn tot nu toe nog niet verklaard.
3.3.3. 10 Centimeter brede print met een meanderend spoor De totale lengte van de dwars-stukken van het meanderende spoor is groter dan de totale lengte in de langsrichting (36 cm dwars en 20 cm langs). Hoewel de dwarsstukken niet meewerken aan de inductieve koppeling, hebben ze wei invloed op de overdracht (capacitieve koppeling en looptijd). De eerste resonantie treedt op bij ongeveer 70 MHz (fig.3.5.a). Bij de vorige print was dit ca. 160 MHz, wederom wordt de verhouding van de lengtes van het spoor teruggevonden in de verhouding van de resonantie frequenties. (56 : 25 "'" 160 : 70)
12
10- 1
::!: ,Ii
"~
m_~
G8r.Ilerek8nd
'0 ...
\ •
+1""
/'
10- 3
/'
~
/ \/
/ \/
/'
/' /' /' /' /'
1er" 10'
10'
Figuur 3.5.a Verhouding van CM- en ge·injeeteerde stroom, meanderend spoor, kortgesloten
/'
/'
/'
/'
/'
/'
FreqU8ntie
[Hz1
7
10
10·
Figuur 3.5.b. Verhouding CM- en ge"injeeteerde stroom, meanderend spoor, karakteristiek afgesloten
De berekende waarde wjjkt hier ook onder 100 MHz al een factor 2 af. De afwijkingen worden groter boven 500 MHz, hier treden waarschijnlijk allerlei interferenties van resonantieverschijnselen op delen van het spoor op. De afwijking van 6 dB treedt ook op bij het karakteristiek afgesloten spoor (fig.3.5.bl. Boven 200 MHz wordt de afwijking groter (12 dB), ook deze afwijkingen zijn nog niet verklaard.
3.4. DM-DM-metingen Een zwaardere test voor de berekeningsmethode vormt de DM-DM-koppeling tussen verschillende sporen op de print onderling. Ook met deze opstelling zijn vele metingen verricht. De volledige Iijst is te vinden in bijlage 6. Uit deze metingen zijn dezelfde printen geselecteerd als bij de Bersier-metingen. Steeds wordt het meest kritische paar sporen beschouwd. De representatie is bij deze metingen steeds de transferimpedantie:
UDM
=
I DM
3.4.1. 5 Centimeter print met rechte sporen
...
1 10
m-= -.-
In figuur 3.6 is de gemeten en berekende transferimpedantie (Zt) van de 5 cm brede print met rechte sporen te zien. Uit deze figuur blijkt dat wederom de inductieve koppeling overheerst en dat resonanties optreden bij hoge frequenties.
-1
10
Figuur 3.6. OM-OM meting, 5 em brede print, sporen kortgesloten
13
De sporen zijn 20 cm lang, zodat bij een voortplantingssnelheid van 3x10 8 m/s de eerste piek gevonden zou worden bij: f
=
!..
=
)..
_v_ 4 xl
~
37 5MHz
In werkelijkheid ligt de eerste piek op ongeveer 210 MHz. Hieruit kan een effectieve dielectrische constante van circa 3.2 bepaald worden. In het model is de waarde 3.4 toegepast [Hor97]. Deze waarde wordt bij de volgende beschouwingen aangehouden.
3.4.2. 10 Centimeter brede print met een spoor met 2 haakse bochten Er zijn nu twee karakteristieke lengtes in het Gen-. spoor te herkennen, 25 cm totale lengte van B8r8lcend - - . het injectie-spoor en 20 cm van het meetspoor. De te verwachten resonanties liggen hierdoor op resp. 162 en 203 MHz. Uit de metingen blijkt dat de eerste piek Iigt bij 164 MHz en de tweede bij 209 MHz. De berekende Zt voigt de gemeten waarde goed. De afwijking bljjft onder 6 dB, behalve bij 1[J:Oc,-'~~Fre~quent:ie-'-'-"--·~[Hz~I~"""""10-;-7~~-.........J'-----~~.....Jl0·. een aantal resonantiepieken boven 500 MHz. Figuur 3.7.a OM-OM meting en berekening, print met 2 haakse bochten, sporen kortgesloten
10'
§
200m
[8 :
'0lJan
'0_
"100m
~ ~--"...-\
\ If II
.
Figuur 3.7 .b. OM-OM meting en berekening, print met 2 haakse bochten, sporen karakteristiek afgesloten
14
Wanneer de meting met karakteristiek afgesloten sporen met de berekeningen wordt vergeleken blijkt dat het verloop van beiden ook hier goed overeen komt. Aileen bij de dip in de berekende waarde, bjj 800 MHz, blijft de meting min of meer constant stijgen. Bij nadere beschouwing van aile DM-DM-metingen met karakteristiek afgesloten sporen bleek dat dit verschil in aile gevallen optreedt. Daarom is naar een verklaring voor dit verschijnsel gezocht.
Gameten Berekend - - 2Oc:m
I I I
-------
I
I I II II I
\ I \I \I II 1/ II II I r
Figuur 3.8. Vergelijking transferimpedantie 5 em brede print met reehte sporen, gemeten en berekend met verwaarlozing eapaeitieve koppeling
Meting normale opstelling Meting met messing plsat Berekaning
a
10
al -1
10
I~
print
:i: ::ii ::Tf2i::§)< massing T
T
T
T
T
T
(plaat
b)
Figuur 3.10. Sehematisehe weergave van de parasitaire Frequantie [Hzl eapaeiteit naar de omgeving. a) uitgangssituatie Figuur 3.9. Vergelijking transferimpedantie 5 em brede print met b) vergrote eapaeiteit door reehte sporen, gemeten, gemeten met extra eapaeiteit en berekend toevoeging messing plaat met verrekening van eapaeitieve koppeling
Als de dips wegvallen door de invloed van een CM-stroom moet deze dus ontstaan op de print. Dit blijkt ook het geval te zijn. Het injectie-circuit veroorzaakt namelijk niet aileen een DM-stroom in het spoor en aardvlak. Een deel van de ge"injecteerde stroom keert niet via het aardvlak terug, maar loopt via het CM-circuit dat zich sluit via de parasitaire capaciteit van het aardvlak naar de omgeving. Er ontstaat dus in feite een DM-CM-DM koppeling.
15
Om dit effect te vergroten is parallel onder de print een messing plaat neergelegd. Zodoende wordt de capaciteit van heet aardvlak naar de omgeving veel groter. In figuur 3.9 is duidelijk te zien dat de piek hierdoor veel hoger wordt. Ais de OM-CM-OM koppeling wordt verwerkt in het model ontstaat het volgende beeld (fig.3.9) Ouidelijk is te zien dat de piek nu ook in de berekening ontstaat. Oat de invloed vooral te merken is bij de karakteristiek afgesloten sporen is te verklaren uit het feit dat de te meten koppeltermen hier vaak een factor 1000 kleiner zijn, zodat een relatief kleine CM-stroom toch veel invloed kan hebben.
3.4.4. 10 Centimeter brede print met een meanderend spoor 100
~
~
Ilereksnd
---
10
1
10.1
1 10
~
GerT-. Ilereksnd
§:
jl;\
I;l
10-3
10-3
10
f'requertle (Hz]
107
109
Figuur 3.11 .a. OM-OM meting en berekening, print met meanderend spoor, kortgesloten sporen
-- --- -,-
§:
105
,-
,-
,-
--
,- ,-
Frequenl;e[Hz1
,-
,-
10
7
10
9
Figuur 3. 11.b. OM-OM meting en berekening, print met meanderend spoor, sporen karakteristiek afgesloten
Ook bij deze print zijn 2 karakteristieke lengtes te herkennen, 20 cm van het meetspoor en 56 cm van het injectie-spoor. Hierdoor zijn weer 2 pieken te verwachten, namelijk op 203 MHz en 72.5 MHz. Gemeten zijn 75 MHz en 220 MHz (OM-OM), Vooral de resonantie op de lengte van 20 cm wijkt vrij veel af van de voorspelde waarde. Bij vergelijking van de meting met de berekening blijkt dat hier niet aileen verschillen in amplitude van de pie ken optreden, maar ook verschoven frequenties. Verder is bij de karakteristiek afgesloten sporen opmerkelijk dat hier wei de eerste dip in de meting te zien is. Oe invloed van de CM-stroom is hier nog niet verwerkt in het model.
16
4. ONTWERP VAN DE DEMONSTRATIE-PRINTEN We willen laten zien dat werkelijke digitale schakelingen zich in overeenstemming met de berekeningen gedragen. We kiezen een eenvoudige schakeling (Fig.4.1) en lange sporen. 4.1. De digitale schakeling De gekozen digitale schakeling bestaat uit drie 2-delers. Deze worden gemaakt met behulp van D-flipflop's, waarbij de signaalspanning op de klokingang wordt gezet, en de inverterende uitgang met de data ingang is verbonden. (Fig. 4.1) De flipflop's (FF's) worden aangestuurd door een kristal-oscillator. Wanneer het signaalspoor karakteristiek afgesloten moet kunnen worden, is een buffer tussen de oscillator en de delers nodig omdat de oscillator niet voldoende stroom kan leveren.
+ 15cm
(
)
Figuur 4.1: Digitale schakeling en globale layout van het signaalspoor
Het spoor dat de oscillator met de delers verbindt bevat een aantal van de in het voorgaande hoofdstuk beschreven structuren, figuur 4.1 geeft de globale lay-out van het signaalspoor weer. 4.2. Logica-families en hun karakteristieke grootheden Onderstaande tabel geeft een overzicht van de eigenschappen van de verschillende beschikbare logica-families. Tabel 4.1. Overzicht van de belangrijkste kenmerken van een aantal logica-families Familie
Typeno. (D-flipflop)
Vee' [V]
TTL
74374
5
Fast TTL
74F374
5
LS-TTL
74LS374
ECL 100K3
100131
Stroomvorm 2
Gin
f max
[pF]
V 55
5
-
,
[MHz]
t,&t,' Ins]
Ins]
nvt
-
10
10
V
nvt
-
10
5.5
22
V
nvt
-
6
3
100
V
nvt
350
2
2.2
"lISt
[mAl
tdelay
4.5 HC CMOS
74HC374
5
30
dV/dt
3.5
77
6
15
HCT CMOS
74HCT374
5
30
dV/dt
3.5
50
5
13
HLL CMOS
74HL33374
3.3
0.08
dV/dt4
3.0
350
2
2.1
SIMaS LVT
74LVT374
3.3
0.08
dV/dt4
4
200
2
2.4
, Verklaring: zie figuur 4.2. De stroomvorm wordt aangegeven met V als stroom en spanning (ongeveer) dezelfde vorm hebben, en met dV/dt als de stroom de afgeleide van de spanning is. 3 ECL logica is niet gangbaar meer. 4 De stroomvorm bij HLL en LVT wordt hetzelfde als de spanningsvorm wanneer het spoor met een weerstand is afgesloten.
2
17
Voor de eerste demonstratie-printen is gekozen voor HCT CMOS (HCT = High speed, CMOS, TTL niveau), vanwege het veelvuldige gebruik ervan, en HLL CMOS (HLL = High speed, Low voltage, Low power), omdat dit op het moment de snelst beschikbare logica is.
___________ 90%
INPUT
O-f-------L-;-.------'---------'------
(t~
Figuur 4.2. Schets met grootheden uit tabel 4.1.
4.3. Ontwerp van de voeding De voeding op de print wordt verzorgt door een spanningsstabilisator. Snelle stroomveranderingen moeten zoveel mogelijk ter plaatse worden opgevangen. Daarom is bij de ingang van de stabilisator een elco van 220 JlF geplaatst. Om te voorkomen dat de uitgangsimpedantie van de stabilisator invloed heeft op de afsluiting van het voedingsspoor, wordt een tantaal-condensator van 1 JlF dicht bij de uitgang geplaatst.
De plaats van ontkoppelcondensatoren bij de IC's is belangrijk. Deze condensatoren sluiten de stroomkring lokaal, waardoor de hoogfrequent stroompulsen niet het hele voedingsspoor hoeven te doorlopen. De minimum waarde van de condensatoren wordt bepaald door de toe te laten spanningsdaling in het voedingsspoor [Goe91]: C min
tJ.I = tJ.V
t
r
max
Met I:::. Vmex de maximaal toelaatbare spanningsdaling, 1:::./ de amplitude van de stroompuls en tr de stijgtijd van de stroompuls. Bij een maximale I:::. V van 0.1 V, geeft dit voor de CMOS-poorten (1:::./ = 50 rnA, tr = 2 ns) Cm;1\ = 1 nF, en voor de HLL-poorten (1:::./ = 24 rnA en t r = 2 ns) Cmil\ = 0.5 nF. In de datasheets wordt een ontkoppelcondensator van 22 nF per 10 poorten aanbevolen [Philips databoek]. Deze waarde is ruim voldoende, daarom wordt bij ieder IC en bij de oscillator deze waarde toegepast. In de Ius, gevormd door de ontkoppelcondensator, het voedingsspoor en de voedingsstructuur in het IC, wordt bij een stroomstoot een spanning ge"induceerd. Deze spanning verlaagt de voedingsspanning bij het IC. Reele waarden voor de zelfinductie van deze Ius zijn 20 nH bij IC's in een DIL-behuizing met de voeding op pennen 7 en 14 (HCT CMOS), en 10 nH bij IC's in een SMD-behuizing met de voedingsaansluitingen tegenover elkaar (HLL CMOS). Uit de hierboven gegeven 1:::./ en tr voigt een ge'induceerde spanning van resp. 0.5 en 0.12 Volt. tJ.U
18
=
L
tJ.I tJ.t
Doordat aile IC's door het voedingsspoor met elkaar zijn verbonden staan aile ontkoppelcondensatoren parallel. Hierdoor ontstaat een parallelschakeling van een aantal LCkringen. Ais een poort schakelt zal hierdoor de benodigde stroom slechts gedeeltelijk door de ontkoppelcondensator worden geleverd. Bij twee condensatoren verdeelt de stroom zich als voigt (met /0 de aan het IC te leveren stroom): =
1 - w2 L C 2
2 - w2 (L 1 + L 2 ) C
I 0
1 0
1
12
L1
L2
rn C1
C2
Figuur 4.3: Vereenvoudigde voorstelling voedingsspoor met ontkoppelcondensator en
Hierin is /, het deel van de gevraagde stroom dat door de ontkoppelcondensator ter plaatse (C,) wordt geleverd en /2 het deel dat door een ontkoppelcondensator bij een ander IC wordt bijgedragen. /2 doorloopt een (relatief) grote Ius. Dit heeft dus een negatief effect op de wens de emissie klein te houden. Een manier om dit effect tegen te gaan is het vergroten van de serie-impedantie tussen de condensatoren. Dit betekent het opnemen van een weerstand of zelfinductie in het spoor. Omdat een weerstand te veel verliezen oplevert, wordt bij voorkeur een zelfinductie toegepast. Hiertoe zijn in het voedingsspoor iedere 3 4 cm twee pads opgenomen. Door het spoor tussen de pads te verbreken, en er een draadje dat een paar maal om een ferrietkern is geslagen tussen te monteren kan de zelfinductie van het spoor worden verhoogd [Goe91]. Het ferriet zorgt tevens voor de verliezen, nodig om oscillaties te voorkomen.
a
4.4. Parameters van de gebruikte kristaloscillatoren Omdat de gegevens van de beschikbare ge'integreerde kristaloscillatoren minimaal zijn, zijn een aantal belangrijke parameters van de kristalosciliatoren gemeten. Deze zijn nodig voor het ontwerp van de stroom-meetlus en later voor de modellering. De belangrijkste parameters voor het berekenen van de te verwachten stroom zijn de stijg- en daaltijden en de uitgangsimpedantie. Er is gemeten aan drie osciliatoren, resp. 10,20 en 50 MHz. Op de HLL-print wordt ook een 100 MHz oscillator toegepast. Omdat op deze print ook het effect van karakteristieke afsluiting zal worden onderzocht moet tussen de oscillator en de FF's een buffer worden geplaatst. Daardoor is niet de uitgangsimpedantie van de osciliatoren belangrijk, maar die van het buffer; deze wordt geschat op 5 10 n.
a
4.4.1. Karakteristieken van de oscillatoren in onbelaste toestand De stijg- en daaltijd moet in onbelaste toestand gemeten worden. Wanneer aan de oscillator-uitgang gemeten wordt met de 50 n oscilloscoop-ingang wordt deze te zwaar belast, daarom is een serieweerstand van 10 kn opgenomen. Door de grootte van de serieweerstand kan de invloed van de uitgangsimpedantie verwaarloosd worden. Omdat de gebruikte kabel een karakteristieke impedantie van 50 n heeft, treden hierin geen reflecties op.
19
De stijg- en daaltijd zijn gemeten tussen 10 en 90% van de amplitude. De metingen zijn verricht met een kleine tijdbasis (100 tot 500 ps/div) en de markers van de oscilloscoop. Hiermee is een onnauwkeurigheid van ongeveer 5% te verwachten. De gemeten waarden zijn te zien in tabel 4.2. De uitgangsimpedantie is op dezelfde manier gemeten. Hierbij zijn twee verschillende serieweerstanden gebruikt. Bij elke weerstand wordt de uitgangsspanning gemeten. Ais de waarden van de serieweerstanden en de uitgangsspanningen bekend zijn, kunnen de uitgangsimpedantie en de open-uitgangsspanning bepaald worden. De serieweerstanden mogen in dit geval niet te groot gekozen worden, omdat anders de onnauwkeurigheid in de berekening te groot zou zijn. Een te lage weerstand zorgt echter voor overbelasting van de oscillator! Gekozen is voor serieweerstanden van resp 220 en 470 n (lose < 20 mA). De resultaten voor de drie oscillatoren zjjn te vinden in tabel 4.2. Tabel 4.2. Karakteristieken van de kristaloscillatoren f [MHz]
t,
tf [ns]
Vui\ [mV] R.==220 n
Vui \ [mV] R.==470 n
Vopen [V]
Zui\
[ns]
10
0.93
0.70
851
457
4.94
20
20
0.95
0.65
862
457
4.86
12
50
0.96
0.70
851
451
4.80
12
[0]
4.4.2. Be"invloeding van de stijg- en daaltijd door capacitieve belasting De ingang van een CMOS-poort kan gezien worden als een capaciteit (C in ). De grootte van deze capaciteit wordt in de data-sheet opgegeven. .t = 0.32 m; Gin = 3.5 pF HCT-print: HLL-print: .t = 0.25 m; Gin = 3.0 pF Het spoor wordt voorgesteld als een TL1 transmissielijn (Zie fig. 4.4) opgedeeld in 5 stukken. 1 tim 3 worden capacitief afgesloten met een CMOS-ingang, 4 en 5 worden afgesloten met 2 aftakkingen. Met behulp van deze voorstelling kunnen de te verwachten stijg- en daaltijd berekend worden. De resultaten zijn te vinden in Zl3 tabel 4.3. Hierbij wordt als Figuur 4.4. Signaalspoor als transmissielijn, uitgangsspanning van de oscillator een trapeziumvormige spanning verondersteld. onderverdeeld stukken Voor de onbelaste stijg- en daaltijd worden de waarden van tabel 4.2 (van 10 tot 90%) lineair geextrapoleerd tot 100%
20
4.5. Dimensionering en plaatsing van de inductieve DM-stroom-meetlus 4.5.1. Berekening van de DM-stroom-golfvorm Als de oscillator een blokvormige spanning levert, zal de stroom een gedifferentieerde blokgolf zijn, dit betekent dat bij de op- en neergaande flanken pieken ontstaan. De stroom wordt berekend met behulp van het hiervoor gebruikte transmissielijn-model van het spoor. De piekwaarden zijn te vinden in tabel 4.3. (Berekening: Zie bijlage 4) Tabel 4.3. Berekende stijg- en daaltijden en piekstromen bij belasting met spoor en 3 poorten.
I
~MHZI
HLL
HCT
t,
r
tf
I [ns]
[ns]
f piek
t,
tf
[rnA]
[rnA]
[ns]
[ns]
piek
r
f piek
piek
[rnA]
[rnA]
10
2.34
2.06
56.3
-57.7
1.40
1.19
47.8
-49.6
20
2.02
1.58
68.3
-72.2
1.58
1.12
46.0
-50.7
50
2.10
1.62
64.0
-68.9
1.29
1.14
49.0
-50.5
100
nvt
nvt
nvt
nvt
1.26
0.70
44.7
-53.1
4.5.2. Formule voor de mutuele inductie van de stroom-meetlus. De vectorpotentiaal A op een draad, ten opzichte van een spoor op afstand A
=
r bedraagt:
1-£0I In ( r ) 27T
-
Als het spoor op hoogte h boven een aardvlak ligt, kan de retourstroom voorgesteld worden als een spiegelstroom op h onder dit aardvlak. De resulterende vectorpotentiaal bedraagt dan: A
=
1-£0 I 27T
-
In ( ~ ) r,
De Ius bestaat uit twee parallelle draden met lengte I (zie figuur 4.5). De mutuele inductie wordt gevonden uit: M
=
1
""T
f
A d1
=
J.
=
X 1-£0 1 In[~ 27T XI
11-£ 27T
_0
r ) [In ( ~ r
Jx;+ (2h)2 Jxi+ (2h)
r
In ( ~ ) ] r
l
=
3
Lus
Spoor
2
I
rs 1
-:0
r1
h
............. ·····1
•
············1
•
. . \ ..'\
• ./ r/ h I o .. ~~:::::·// ~ -I '\/14
I Aardvlak
Spiegelstroom Figuur 4.5. Schematische weergave van de ligging van het printspoor, de spiegelstroom en de Ius
21
4.5.3. Dimensionering van de inductieve stroomsensoren Met behulp van de resultaten uit tabel 4.3 kan de benodigde mutuele inductie van de stroom-meetlus worden berekend, en daaruit de afmetingen en afstand tot het spoor Sij de laagste frequentie (10 MHz) moet de uitgangsspanning van de Ius gemeten kunnen worden met een oscilloscoop, dit betekend: Vuit (10 MHz) > 1 mV. Verder mag de spanning nooit de ingang van de spectrum/network analyser oversturen, Vuit < 0.223 V over 50 n. De uitgangsspanning van de stroom-meetlus is bij benadering I Vuitl = wMI/I. Gekozen is M = 1 nH (HCT-print) en M = 0.25 nH (HLLprint). De benodigde afmetingen staan in tabel 4.4. Tabel 4.4. Afmetingen van de stroom-meetlussen en berekende en gemeten mutuele inductie
6
~ HLL
l
x, [mm]
X2
[mm]
[mm]
Mberekend [nH]
Mgemeten [nH]
5.0
1.0
4.0
0.93
0.97
3.0
2.0
4.5
0.24
0.29
De mutuele inductie van de stroom-meetlussen is gemeten met behulp van de Sparameter test-set. Hierbij werd poort 1 aangesloten op het signaalspoor, dat aan het eind was kortgesloten, of met 68 n was afgesloten. Poort 2 werd op de meetlus aangesloten. Uit de, met de S-matrix berekende, Z-matrix kan zowel de mutuele- als zelf-inductie van de Ius worden bepaald (uit resp. Z'2 = Z2' en Z22)' De in de tabel opgegeven waarden zijn gemeten tussen 100 kHz en 200 MHz. De gemeten zelfinductie bedraagt voor de HCT-print 9.3 nH en voor de HLL-print 7 nH tussen 2 en 500 MHz. De gemeten waarde worden in het vervolg gebruikt bij de berekening van de signaalstroom uit de sensorspanning, de formule luidt; Usensor Isignaal
waarin R
=
j wM R R + j wL
= 50 n de ingangsimpedantie van het meetsysteem is.
4.6. Karakteristiek afsluiten van het slgnaal-spoor Doordat bij digitale schakelingen steeds hogere frequenties toegepast worden, is het steeds vaker noodzakelijk om sporen karakteristiek af te sluiten om correcte werking van de schakeling te garanderen, ook voor EMC is het voordelig zo min mogelijk onnodige signalen te genereren. Karakteristiek afsluiten van een spoor kan op verschillende manieren [Goe91]. Het meest gebruikt wordt afsluiting van het spoor bjj de ontvangende poort met een weerstand naar aarde. De poort die het afgesloten spoor aanstuurt moet echter wei de benodigde stroom kunnen leveren. Veel moderne logica families zijn hiertoe in staat, zo ook HLL CMOS, de minimale belastingsimpedantie bedraagt 50 n. (Logica-families als ECL (Emitter Coupled Logic) en ALVT (Advanced Low Voltage Technology SiMos) kunnen zelfs 25 n sturen.) De signaalstroom neemt bij deze methode wei toe, maar het aantal naslingeringen (met steile flanken, grote dl/dt) blijft beperkt.
22
De karakteristieke impedantie van de gebruikte sporen bedraagt 68 Q. Een enkel spoor is dus eenvoudig karakteristiek af te sluiten. Problemen ontstaan echter bij aftakkingen. Bij 1 aftakking moet de impedantie na de aftakking verdubbelen, zodat de parallel schakeling 68 Q bljjft. Een spoor met een impedantie van 136 Q moet, bij een hoogte van 1.5 mm boven het aardvlak, een breedte van 0.35 mm hebben. Deze breedte is te klein voor het gebruikte fabricage proces, zodat een verdere vertakking zeker onuitvoerbaar is. Daarom wordt voor het hele spoor de standaard breedte van 1.5 mm (Zo = 68 Q) gehandhaafd. De afsluit-mogelijkheid wordt op 4 plaatsen aangebracht, namelijk bij de ingang van iedere poort en bij het begin van de eerste aftakking. De laatste heeft waarschijnlijk weinig zin, omdat hier meerdere 68 Q transmissielijnen parallel worden gezien, zodat de impedantie lager is dan 68 Q. Omdat deze methode toch in databoeken wordt vermeld zal ze hier ook worden onderzocht.
4.7. Definitieve ontwerpen van de demonstratie-printen Met de hiervoor gevonden gegevens en voorwaarden kan de definitieve ontwerpen van de demonstratie-printen worden samengesteld (Zie fig 4.6, HLL-demonstratie-print). Beide printen zijn in essentie gelijk van opbouw. Doordat de logica op de HLL-print op 3.3 V werkt en de oscillator op 5 V, worden hier 2 spanningsregelaars toegepast. Daarnaast is op deze print een buffer tussen de oscillator en de delers geplaatst. Deze past het signaal niveau aan (van 5 naar 3.3 Volt) en zorgt ervoor dat geen problemen ontstaan bij een karakteristiek afgesloten spoor.
~---------------------
... I
.
;::
•
;"~
4d:-' •...... ,.
---:;;;~--- ......-
••
I
......----oiitI~lfltHtl
Figuur 4.6. Layout van de HLL-demonstratieprint, ware grootte 10 x 21 em.
23
5. METINGEN AAN DE DEMONSTRATIE-PRINTEN 5.1. Gemeten stroomvormen Bij zowel de Bersier-metingen als de DM-DM-koppeling is de stroom gemeten om te laten zien welke stroomvorm voor de meeste emissie zorgt. Verder is dit signaal steeds gebruikt als triggersignaal voor de oscilloscoop. 80 Gemeten , _ _
In figuur 5.1 is de stroom in het spoor op de HCT-print te zien, bij een frequentie van 40 "--,, .. ,:. 10 MHz. De piekwaarden zijn ongeveer 20% hager dan de berekende waarden (gemeten: o~~~~~." , ,", 68 en -74 mA; berekend 56 en . ----. \i' -58 mA, tabel 4.3). Dit wordt I veroorzaakt doordat de stijg-40 en daaltijden iets kleiner zijn . -, dan de bij de berekeningen - 80 '----_ _,-'::-'---'----~_ _-----'-J gebrui kte waarden. Dit komt 40 t [nsl 80 120 doordat de capacitieve bela sting die bij de meting van Figuur 5.1. Stroom in het injectie-spoor van de HCT-print met de karakteristieken van de 10 MHz oscillator. oscillatoren met de oscilloscoop ontstaat niet is verrekend. Verder is een aantal naslingeringen te zien, die voor extra emissie zorgen. Bij hogere frequenties is eenzelfde vorm gevonden. B~~~~n!l, .:.:":':":':-:,
1
~
In figuur 5.2 is de stroom te zien die op de HLL-print gemeten is, zander karakteristieke afsluiting. Ook hier zijn de gemeten stromen groter dan berekend, ongeveer 30%. Met een weerstand van 68 n bij de eerste aftakking ontstaat de stroom die te vinden is in figuur 5.3. De waarde van de piekstroom is in dit geval meer in overeenstemming met de berekende waarden. Doordat de stroomsensor aileen inductief werkt worden gelijkstroom-componenten niet gemeten, daarom is de gemeten stroom symmetrisch om O. In werkelijkheid is er slechts een kleine overshoot onder 0 mAo BO,----r---~r---____,--___,_------,
80
40
-----
1 -
0
-40
BO
Figuur 5.2. Stroom in het injectie-spoor op de HLLprint met de 10 MHz oscillator, spoor niet afgesloten met een weerstand.
24
-80 0
t Ins]
40
80
Figuur 5.3. Stroom in het injectie-spoor op de HLLprint met de 10 MHz oscillator, spoor afgesloten met 68 bij de 1" aftakking
n
Bij vergelijking van het uitslingergedrag van de stroom zonder en met afsluitweerstand, fig.5.2 en 5.3, blijkt dat bij afsluiting van het spoor inderdaad een reductie van de uitslingeringen wordt verkregen. Afsluiten kan daarom een verbetering van de EMC van een digitale schakeling opleveren.
5.2. Bersier-metingen Bij deze printen wordt bij de Bersier-meting niet meer gekeken naar de koppeling van de stroom in een spoor naar het CM-circuit, maar naar de koppeling van de complete print naar het CM-circuit. Per print wordt daarom bij iedere frequentie slechts een meting uitgevoerd. Hierbij wordt opgeslagen: de tijd-as, de gemeten stroom op de print en de gemeten CM-stroom. Deze laatste heeft de vorm van een spanning over een 50 n weerstand. Omdat de koppeling ook hier vooral inductief is, koppelen hogere frequenties sterker. De CM-stroom is in eerste benadering de gedifferentieerde injectiestroom. In de onderstaande figuren, 5.4 en 5.5, zijn de gemeten een berekende CM-stromen te zien veroorzaakt door resp. de HCT-print met een frequentie van 10 MHz en de HLLprint met 20 MHz. Er is weliswaar ook gemeten bij hogere frequenties, maar de meetgegevens van deze metingen zjjn ter illustratie minder geschikt. Het verloop van de spanningen en stromen is hierbij veel grilliger. Hierdoor is de overeenkomst tussen meting en berekening soms wat moeilijker te zien. 0.2,-----~--------,-----~---~--~.
"
0.1
\ I
If
-0.1
\ I
\ I
\I
I I
I'
II
II
"
II
It
"
-O'2=--------=-=-_ _--::-'-~----::'-::----...L---____:_=_! o
20
t [n5]
60
100
Figuur 5.4. CM-stroom veroorzaakt door de HCT-print met een oscillatiefrequentie van 10 MHz.
Ook hier is voor de berekeningen gebruik gemaakt van het gekoppelde transmissielijn model. Duidelijk blijkt dat de pieken bij de berekende waarden hoger zijn dan de gemeten waarden. Beide stromen hebben dezelfde frequenties in zich. Wei blijkt dat het bij de berekende stroom veel langer duurt voor het signaal is uitgedempt. Dit is waarschijnlijk het gevolg van de verwaarloosde niet-Iineaire uitgangsimpedantie van de oscillator en ingangscapaciteit van de poorten. Het uitslingerende signaal heeft een frequentie van ± 180 MHz. De golflengte die hier bij hoort is, er vanuit gaande dat de golven in het CM-circuit met de lichtsnelheid lopen, 1.68 m. Een kwart golflengte is gelijk aan de lengte van het CM-circuit, ± 42 em.
25
Q15.----~---~---~---~--____,
0.10
Gemeten Berekend
___
II II
"II
I
I
I
I
II
-0.10
II
-0.15 '----t-ln--'-s]----2-'--O-------'------4Q--':::---0
Figuur 5.5. CM-stroom veroorzaakt door de HLL-print zonder afsluitweerstanden aan de sporen, kristal-oscillator-frequentie 20 MHz.
Bij het vergelijken van de berekende en gemeten eM-stroom van de HLL-print blijkt een duidelijk verschil op te treden. Hier zijn weliswaar de top-waarden ongeveer in overeenstemming, maar de gemeten stroom bevat duidelijk een derde harmonische term die in de berekende stroomvorm niet te herkennen is.
5.3. DM-DM-metingen De DM-DM-koppeling wordt gemeten van het signaal-spoor naar de overige 3 sporen op de print. Hierbij is te verwachten dat de koppeling naar het spoor aan de bovenkant vele malen groter is dan naar de sporen aan de onderkant. Bij de beide sporen aan de onderkant zal de koppeling naar het spoor het dichtst bij de rand het grootst zijn. Omdat de grenzen van de berekeningsmethode gezocht worden wordt hier aileen gekeken naar het spoor dat ongeveer in het midden aan de onderzijde ligt. De DMspanning die gemeten wordt aan het spoor dat aan de onderzijde bij de rand Iigt is steeds 1.5 a 2 maal zo groot als in het midden. De DM-spanning aan het spoor aan de bovenzijde is in de orde van 10 maal zo groot.
26
Figuur 5.6. toont de DM-spanning die in het meet-spoor op de HCT-print ontstaat bij een oscillatie-frequentie van 10 MHz.
-WI
Figuur 5.6. DM-spanning gemeten aan het spoor midden-onder op de HCT-print. frequentie 10 MHz
Duidelijk blijkt dat de berekende piek-waarde (stippellijnl hier ongeveer een factor 2 lager ligt dan de gemeten waarde. Bij de neergaande piek is de globale vorm van beide grafieken nog hetzelfde, bij de opgaande piek zijn er duidelijk grote verschillen.
0.4
-0.4
o
t
[nsl
25
50
Figuur 5.7. DM-spanning gemeten aan het spoor midden-onder op de Hll-print, frequentie 20 MHz
Figuur 5.7. toont de DM-spanning die in het meet-spoor op de HLL-print ontstaat bij een oscillatie-frequentie van 20 MHz. Hierbij valt op dat de berekende en gemeten grafieken hier nauwelijks nog overeenkomsten vertonen. Verder is hier duidelijk te zien dat de berekende grafiek veel sneller uitdempt dan de gemeten waarde. In de berekeningen is dus waarschijnlijk een dempingsfactor te hoog gesteld. Ook het niet lineaire gedrag van de uitgangsimpedantie van het buffer en de niet-lineaire ingangscapaciteit van de poorten zou hiervan een oorzaak kunnen zijn.
27
6. PRINTEN MET EEN SPLEET IN HET AARDVLAK Ais laatste zijn, zowel Bersier- als DM-DM-metingen gedaan aan 2 printen waarvan het aardvlak gedeeltelijk is onderbroken door een spleet. Het is de bedoeling om aan te tonen dat gaten of spleten in het aardvlak al snel een dominante rol spelen in de koppeling, zowel van DM naar CM als van DM naar DM.
6.1. Bersier-metingen Omdat bij deze metingen nog geen gedetailleerde berekeningen beschikbaar zijn worden een aantal situaties die gemeten zijn met elkaar vergeleken. In de onderstaande figuur zijn de verhoudingen van CM- en ge"injecteerde stroom van drie printen, met kortgesloten sporen samengebracht. Duidelijk blijkt dat zelfs een spleet van 3 mm al een factor 6 ten opzichte van de situatie zonder spleet.
-
III 1
2
3
:l: 10
:.5
"E 10..Q
10- "---:::::~~~~~~~'-'-'-::~~~~~~~--'-'..U Frequentie [Hz]
7
10
9
10
Figuur 6.1 Vergelijking stroomverhouding bij 3 printen; 1. Geen spleet in het aardvlak; 2. 3 mm spleet; 3. 50 mm spleet
Uit de eerste berekeningen, volgen de volgende waarden voor de mutuele inductie tussen het spoor en het CM-circuit. Tabel 6.1. Vergelijking van gemeten en berekende mutuele inductie voor verschillende printen. Print
Gemeten M in nH
Berekende M in nH
Verschilfactor
Geen spleet
1.1
1.0
1.1
3 mm spleet
5.8
1.4
4.1
50 mm spleet
14
7.7
1.8
Vooral opvallend is de grote afwijking bij de 3 mm brede spreet. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de bij een smalle spleet veel grotere invloed van randeffecten zoals scherpe hoeken.
28
6.2. DM-DM-metingen Bij de DM-DM-koppeling is het vooral van belang om te zien of het spoor dat op 1.5 mm van de spleet af Iigt nog invloed van de spleet ondervind. Hiertoe wordt vergeleken de koppeling van dit spoor naar beide onderliggende sporen (zie schets in figuur 6.2). 3
..
I
10
,
,
10
• I• •• It •
•
Ill, ,It " . ,II" j 'I • ,IVI 1 •• 1 I
•
I
• •
I J
I
.. / /
/
1-2.
///
~
.' ~n', :•
9
•2 •4
10
o.
: i:
/
2-3................ // 3-4
/
/
I
\"
\ 0, \,.J \ ..1
I
\ ::J \wl
\.1
1.1 11
I
~
~~
L,----~--~_~ _ _---'-;.----_~_~__.._-~------l,
10
10
Frequentie [Hz]
10
9
10
Figuur 6.2. Vergelijking DM-DM koppeling, print met 3 mm spleet in het aardvlak, sporen op verschillende plaatsen t.o. v. spleet. Sporen aan het eind kortgesloten naar het aardvlak
Uit figuur 6.2 blijkt duidelijk dat hoewel sporen 1 & 2 en sporen 3 & 4 op dezelfde onderlinge afstand liggen de Zt bij sporen 1 & 2 ongeveer een factor 300 hoger is. Verder blijkt dat de ~ tussen spoor 2 en 3 een factor 18 lager ligt dan die tussen spoor 1 en 2, maar nog steeds een factor 15 boven de Zt tussen spoor 3 en 4. De afstand 1.5 mm vanaf de rand van de spleet heeft dus wei invloed op de koppeling wanneer het andere spoor over de spleet heen loopt. Wanneer het andere spoor verder van de spleet weg ligt is de verhoging niet meer significant. Uit de grafieken kunnen de volgende waarden voor de mutuele inductie tussen de sporen worden berekend: Tabel 6.2. Vergelijking van berekende mutuele inductie tussen de sporen onderling.
I Sporen
I
Min nH
1- 2
53
2 - 3
2.9
3-4
0.2
I
29
7. CONCLUSIES en BEVINDINGEN Meetmethoden: * Door het automatiseren van de Lock-in opstelling is deze meting veel eenvoudiger en sneller geworden. Aan de gebruikersvriendeljjkheid van het besturingsprogramma zou nog gewerkt kunnen worden.
* De verschillende meetmethoden sluiten bij de grenzen goed op elkaar aan. Dit duidt op betrouwbare en reproduceerbare meetgegevens. * Bij de s-parameter test-set verdient vooral de calibratie-procedure extra aandacht omdat verschillende methoden van calibreren ook leidt tot verschillende uitkomsten.
Spectrale metingen: * Met de gekozen opbouw van de multilayer print zijn goede metingen te verrichten. De montage in, en vooral het verwijderen van de printen uit, de opstellingen is niet altijd even gemakkelijk.
* Het op elkaar klemmen van de 2 printen met behulp van PVC-klemmen leidt niet tot afwijkingen in de metingen. Deze methode mag dus worden toegepast. Bij printen waarop componenten gesoldeerd moeten worden is het makkelijker de printen met dunne dubbelzijdige tape op elkaar te plakken.
Digitale printen: * De stroommeting met behulp van een lusje naast het spoor is betrouwbaar. Wei moeten de afmetingen van de Ius zorgvuldig gekozen worden. Verder moet rekening gehouden worden met de plaats van de Ius ten opzichte van andere sporen die de meting zouden kunnen be"invloeden, bijvoorbeeld een voedingsspoor. Doordat de uitgangsspanning van de oscillator bekend is, volstaat het voor het opstellen van lopende-golf-modellen om de stroom slechts op een plaats te meten.
* Afsluiten van het injectie spoor met zijn karakteristieke impedantie leidt weliswaar tot een hogere stroom, maar doordat het aantal reflecties beperkt blijft is er minder emissie. Een alternatief is het afsluiten met een serieweerstand, waarbij de extra stroom niet ontstaat, en toch karakteristiek afgesloten wordt voor hoge frequenties.
30
Print-antwerp *Uit de DM-DM-metingen blijkt dat het verstandig is om gevoelige sporen in het midden van de print te plaatsen. Hierbij moet er vooral voor gezorgd worden dat sporen die (relatief) grote hoogfrequent stromen voeren aan de andere kant van het/een aardvlak lopen. * Ter voorkoming van koppeling door gaten in het aardvlak moeten sporen hier minimaal 2 maal de dikte van de isolatielaag vandaan liggen. Een van de voordelen van SMD-componenten (SMD = Surface Mounted Device) is dat hierbij niet zo vaak geboord hoeft te worden, waardoor het aardvlak grotendeels intact kan blijven. * Een tweede voordeel van SMD-componenten is dat ze met korte verbindingen aan het spoor vast zitten. Dit in tegenstelling tot DIL-componenten (DIL = Dual In Line), zeker als hierbij ook nog een IC-voet wordt toegepast. Het verdient dus ook de aanbeveling om waar mogelijk geen IC-voeten te gebruiken. * Bij zeer snelle logica is het nuttig om signaalsporen karakteristiek af te sluiten. Met snel wordt in dit verband bedoeld dat de looptijd van het signaal over de lengte van het spoor in de orde grootte van de stijgtijd van het signaal ligt. Natuurlijk geldt ook bij het ontwerpen van digitale schakelingen de regel: 'Werk niet breedbandiger dan strikt noodzakelijk!'
31
8. L1TERATUURLlJST HOR96
Horck, F.B.M. van en A.P.J. van Deursen, P.C.T. van der Laan COUPLING ON A MULTILAYER PRINTED CIRCUIT BOARD AND THE CURRENT DISTRIBUTION IN THE GROUND PLANE. Eindhoven: Eindhoven University of Technology, fac. Electrical Engineering, 1996 EUT-Report 96-E-300
HOR97
Horck, F.B.M. van persoonlijke mededeling In de loop van 1997 wordt een tweede rapport over het onderzoek gepubliceerd waarin de vorderingen tot nu toe worden beschreven.
GOE91
Goedbloed, J.J. ELEKTROMAGNETISCHE COMPATIBILITEIT: analyse en onderdrukking van stoorproblemen Deventer: Kluwer, 18 druk 2 8 oplage 1991
HP67
Anderson, R.W. S-PARAMETER TECHNIQUES FOR FASTER, MORE ACCURATE NETWORK DESIGN. Hewlett Packard: Application Note 95-1 en Hewlett Packard Journal: februari 1967 Palo Alto (CA): 1967
32
NAWOORD Met de afronding van dit verslag sluit ik ook mijn studie af. Hier is dus de plaats om een aantal mensen te bedanken. Allereerst natuurlijk mijn Iieve vriendin Dominique die me tijdens mijn studie aan de TU altijd gemotiveerd en gesteund heeft. Verder natuurlijk mijn ouders die me altijd, zowel moreel als financieel, gesteund hebben tijdens mijn studie. Ook mijn zus, broer en zwager en Dominique's ouders bedankt voor aile hulp en steun. Ook aile mensen op de vakgroep die aan dit onderzoek hun steentje bijgedragen hebben wil ik graag bedanken voor hun hulp en gezelligheid. Ook mijn collegae bij Demad bedankt voor het beschikbaar stellen van de tijd die nodig was voor de afronding van dit verslag.
33
Bijlage 1. Mechanische tekeningen van de meetopstellingen 1 .1. Opbouw van de printen De onderstaande tekeningen geven de standaard maten van de gebruikte printplaten aan. 100 . I
{~= =
3
. . ..
I
1 I
I
,1.6,
4
2
De sporen beginnen vanaf de rand van de print bij de frontplaat met 4 connectoren. Aan het eind van de print blijven ze 10 mm van de rand af, zodat randeffecten verkleind worden. De dikte van zowel de sporen als het aardvlak bedraagt 30 35 Jim.
a
8.1
1.2. Bersier-opstelling
2
210
1m
8
[0
' ' ,
, , ,
·:·6· I
j1OxM3
0 - - - - - - .. - .. - - - - - - . . ..
--------
- -- --
--
;~
200
Aile maten in mm. Frontplaat met 4 connectoren als hieronder Aile gaten 04 mm
1.3. DM-DM-meetopstelling
2
print
210
20 10xM3 ------7
o
10
00'·
30
50 70
- -- .. - - - ..... - - ... --
200
B.2
l::l.J
0
110 130 150 170 190
Bijlage 2. Nadere gegevens van de gebruikte apparatuur 2.1. Laag-frequent; Lock-in Amplifier Apparaat
Merk
Type
Lock-in amplifier
EG & G
5302
Functie generator
Hewlett Packard
HP33120A
Multimeter
Hewlett Packard
HP34401A
Current probe
Tektronix
A6302
Current probe amplifier
Tektronix
503A
Oscilloscoop
Hameg
HM605
2.2. Midden-frequent; Network analyser en stroomsensor
I Apparaat
I Type
I Merk
Network/Spectrum analyser
Hewlett Packard
4396A
Inductieve stroomsensor
Eigen ontwerp EHC
-
EMC kast
Eigen ontwerp EHC
-
I
2.3. Hoog-frequent; S-parameter test-set
I Apparaat
I Merk
I Type
Network/Spectrum analyser
Hewlett Packard
4396A
S-parameter test set
Hewlett Packard
85046A
SMA calibration kit
Hewlett Packard
850330
I
2.4. Tijddomein metingen
I Apparaat
I Merk
I Type
Oigitale oscilloscoop
Hewlett Packard
547200
Plug-in units (2x)
Hewlett Packard
54721A
I
8.3
Bijlage 3. S-parameter test-set 3.1. S-parameters De matrix van Scattering- of S-parameters is in 1965 gedefinieerd door K.Kurokawa [HP67]. De N x N - matrix van de s-parameters beschrijft de relaties tussen een set varia belen (a;, b j ). Deze varia belen zijn genormeerde complexe spanningsgolven die invallen op, resp. gereflecteerd worden door ingang ivan een N-poort. Bij het gebruikte meetapparaat gaat het altijd om een- of twee-poorten. Voor de ingangsspanning op poort 1 geldt:
u 1i + u 1r
U1
=
waarin i de invallende en r de gereflecteerde golf voorstelt. Voor de stroom bij poort 1 geldt: i
U1
- u 1r
I 1Z0
=
Hieruit voigt voor de variabelen aj en b;:
U1
a2 =
b1
=
+
U2 + I 2 Z 0
.;z;
2 U1
I 1Z0
-
.;z;
2
b2
=
I 1 Z0
U2
2
-
I 2Z0
.;z;
De S-parameter matrix kan worden gedefinieerd met de genormeerde spanningen. Deze definities luiden als voigt: Ingangsreflectiecoefficient (poort 1) met de b1 5 11 = uitgangspoort (poort 2) karakteristiek afgesloten (a 2 = Ia2 =O 1 0). Voorwaartse transmissiecoefficient (van poort 1 naar b 5 21 = 2 Ia2 =O poort 2) met de uitgangspoort karakteristiek afgesloten 1 (a 2 = 0). Terugwaartse transmissiecoefficient (van poort 2 naar b 5 12 = 1 lat=o poort 1) met de ingangspoort karakteristiek afgesloten 2 impedantie (a, = 0). Uitgangsreflectiecoefficient (poort 2) met de b2 5 22 = ingangspoort (poort 1) afgesloten met de karakteristieke lat=o 2 impedantie (a, = 0 en Us = 0).
a
a
a
a
8.4
In de onderstaande figuur zijn de parameters schematisch weergegeven. D.U.T.
Source - - - - -:
Load
:::a~:::::::::::::;::b~::::
1
::" .-: ,> :::>IIi.»::> ::::; . . . . . . .. :::: ~
r.-~::~DD ,", ~::\~;<:<~a: ,'.
:? ",
Met behulp van deze parameters kunnen de algemeen gebruikte Z-parameters berekend worden. In het geval slechts sen poort gebruikt wordt kan op deze manier de ingangsimpedantie van een netwerk worden bepaald. De formule hiervoor luidt:
Zin
=
Zo
1 +
5
1 -
5 11
11
Voor een twee-poort netwerk kunnen naast de ingangsimpedantie (Z,,) en uitgangsimpedantie (Z22), ook de overdrachts- of transferimpedanties (Z'2 en Z2') bepaald worden. De omrekenformules luiden: Zl1
= u11/ =0 = II
Z12
=
Z21
=
2
U1
T 2 1/,=0 U2
T 1/ =0 U2
=
Y2
=
2
1
Z22
=
I 1,=0
Z 0
Zo Zo
(1 + (1 -
5 11 )
(1 (1 -
11 c:::::::> , - - - - - - - - - - - - - - c <= 12 + +
5 22 ) 5
22
)
u
1
25 12
(1
-
5 11 )
(1
-
5 22 )
-
5 12 5 21
-
5 12 5 21
Twee-poort Netwerk
u2
25 21
(1
-
(1 + =
5 11 )
Zo (1 -
5 11 )
(1
5 22 )
(1 - 5 (1 - 5
5
11
)
-
5 22 ) 11 ) 22
)
De gebruikte S-parameter test-set meet niet de spanningen aj en bj , maar de doorgegeven en gereflecteerde vermogens. Voor de berekening maakt dit, omdat steeds een verhouding berekend wordt, niet uit. 3.2. Calibratie procedure Voordat accuraat gemeten kan worden moet de test-set gecalibreerd worden. Dit verloopt volgens een vrij eenvoudige procedure. Deze procedure behelst 3 stappen. De eerste twee stappen zijn bij ieder meting hetzelfde, de laatste stap is voor ieder testobject verschillend. De hele procedure ziet er als voigt uit:Z Reflection Calibration De eerste stap is het uitsluiten van invloeden van de gebruikte kabels. Hiervoor moeten moet aan de kabels aan poort 1 resp. poort 2 achtereenvolgens een open, kortsluiting en karakteristieke afsluiting gemonteerd worden. Transmission Calibration De tweede stap is het weg-calibreren van afwijkingen in de afsluiting-impedanties van de poorten. Hiervoor moeten beide kabels met elkaar worden doorverbonden. Het apparaat meet hierbij via poort 1 de ingangsimpedantie van poort 2, en vice versa.
8.5
Isolation Calibration De laatste stap is het uitbannen van koppeling naar de signaalkabels door straling. Deze stap zorgt wei eens voor meningsverschillen. Daarom wordt de hier, bij aile metingen gebruikte methode beschreven. De bedoeling is dat steeds aan sen poort de te meten schakeling wordt aangesloten, en de andere wordt afgesloten met een gematchte impedantie. Onder deze matching kunnen twee verschillende situaties worden verstaan. Ten eerst de gematchte impedantie voor de kabel (Zo = 50 m of een impedantie die overeen komt met de impedantie die tjjdens de meting op de poort wordt aangesloten. Volgens mij is het laatste de beste manier, omdat hierbij de kabels het meest aan de meetsituatie voldoen.
Bij aile metingen die tijdens dit project met behulp van de s-parameter test-set zijn uitgevoerd is de volgende procedure aangehouden: Forward Isolation Calibration Poort 1 wordt aangesloten aan de desbetreffende ingang van het testobject. Poort 2 wordt afgesloten met een impedantie die overeen komt met die van de aansluiting van het testobject waarop deze tijdens de metingen zal worden aangesloten. In het geval van de hier gebruikte printsporen is dit 68 n. De kabel aan poort 2 wordt tijdens de calibratie zoveel mogelijk neergelegd zoals deze tijdens de meting zal komen te riggen.
Reverse Isolation Calibration Poort 1 wordt aangesloten aan de desbetreffende ingang van het testobject. Poort 2 wordt afgesloten met een impedantie die overeen komt met die van de aansluiting van het testobject waarop deze tijdens de metingen zal worden aangesloten.
B.6
Bijlage 4. Berekening van de stroomvorm bij CMOSschakelingen Verdeling van het spoor in transmissielijnen Het signaalspoor wordt als voigt verdeeld in 5 transmissielijnen (TL), die met elkaar verbonden worden.
ZL3
De ingangsimpedantie van een TL in het frequentie domein bedraagt: Z.
=
I
Z 0
ZL + j Zo tan ((31 n ) Zo + jZLtan({31n)
Met Zo de karakteristieke impedantie van de Iijn, ZL de impedantie waarmee de Iijn wordt belast, 1 de lengte van de Iijn en P de voortplantingsconstante. Voor de lengte 1 n wordt steeds de lengte van het deeI ingevuld, deze lengtes zjjn: Transmissielijn
HCT [mm]
HLL [mm]
11
114
93
12
61
46
13
33
17
14
28
23
15
84
76
De TL 1, TL2 en TL3 zijn afgesloten met een flipflop. Wanneer geen externe afsluitweerstand wordt toegepast is deze afsluiting gelijk aan de ingangscapaciteit van de flipflop. De ingangsimpedantie van deze TL's bedraagt:
Zn
=
_.1_ + j Zo tan ({31 ) Zo _Jw_c_ _-:-_n Zo + 2... tan ({31 n ) wC
TL4 wordt afgesloten met de TL2 en TL3 parallel. Dit wordt in dit model voorgesteld door de parallelschakeling van de ingangsimpedanties Z
4
=
Z
0
z,z, + jZotan({31 4 ) _z_'+_z,_----=:-=_ Zo + j z,z, tan ({31 4 ) z,+z,
B.7
TL5 wordt afgesloten met de TL 1 en TL4 parallel. Z5
-
Z
+ jZ tan({31
Z,Z, Z,.Z,
o
4
)
---~-;::-----
0
Zo + j
Z,Z, Z•• Z,
tan ({31 4 )
Aansturing van de TL met een trapeziumvormige spanning De spanning die geleverd wordt door de kristaloscillator kan in het frequentie-domein worden voorgesteld met een Fourier-reeks [Hor96l. Deze spanningsvorm wordt in het model gebruikt. In werkelijkheid zullen de hoeken van het trapezium afgerond zijn, mogelijk treedt oak al overshoot op. De reeks van de theoretische golfvorm ziet er als voigt uit: U[n]
=A
T {
+ H
I,
+
•
If
"2"2
To
~-1
+ L....n=l
Sln
(
nW0"2I,
)
sin(nw-t)
jn1T
nwot r
nwotf
Waarin A de amplitude van de spanning, To de peri ode tijd, TH de tijd dat de spanning haag is, t, de stijgtijd, t, de daaltijd en W o de grondfrequentie is. De stijg- en daaltijd van de oscillator worden be'invloed door de belasting. Deze is in dit geval voornamelijk capacitief. De belaste spanning die de oscillator aan het spoor levert wordt als voigt berekend: Ubelasl [n]
=
Z5
U [n]
Z5 + R s
met R s de uitgangsweerstand van de oscillator. De stroom wordt berekend door deze spanning te delen door de ingangsimpedantie van de TL. De stroom ziet er als voigt uit:
40 20
-20 -40
o
20
40
tIns)
60
so
100
Berekende straam ap de HLL-print, bij een frequentie van 10 MHz, zander afsluitweerstand
B.8
Wanneer een of meerdere afsluitweerstanden worden toegepast moet(en) deze op de juiste plaatsen in het model parallel aan een ingangs- of belastingsimpedantie opgenomen worden. Hieronder zijn twee stroomvormen opgenomen, een met een 68 weerstand als belasting van TL5 en een met bjj iedere flipflop een 220 n weerstand. Hierbij is de gelijkstroomterm weggelaten, omdat deze met de inductieve sensor niet gemeten kan worden.
A~':
40 .
....,
·Y
20
~
n
0
I
20
If
-J : 40
tIns]
I
I
60
80
Berekende stroom op de HLL-print. bij 10 MHz en een 68 weerstand bij de eerste aftakking
j 100
a
40
~
0
-20 -40
o
20
40
tIns]
60
80
100
Berekende stroom op de HLL-print, bij een freQuentie van 10 MHz en een weerstand van 220 a bij iedere flipflop-ingang
8.9
Bijlage 5. Automatisering van meetopstellingen met Labview 1. Het programma Labview Labview is een programmeer-pakket dat speciaal bedoeld is voor het schrijven van drivers voor meetapparatuur. Het programmeren gebeurt niet met een programmeertaal, maar grafisch. Aile beschikbare commando's en functies worden voorgesteld als een icoon. Deze iconen worden onderling met elkaar verbonden met behulp van lijnen. Deze Iijnen kunnen een variabele overbrengen. leder type variabele (integer, character, floating point, ... ) heeft een eigen lijn-kleur. Ook vectoren en matrices kunnen via dit soort lijnen worden getransporteerd. Voor de representatie van meetgegevens zijn een aantal standaard mogelijkheden, bijvoorbeeld een cijferdisplay en een oscilloscoop-scherm. Voor het instellen van variabele waarden kan gebruik gemaakt worden van draai- en schuifknoppen, lijsten en invoervelden. Ook kunnen met behulp van vele mathematische en booleaanse bewerkingen subroutines opgebouwd worden. Deze subroutines kunnen opgeslagen worden als blok. Een blok heet hierna een VI (Virtual Instrument). Met deze blokken kunnen daarna weer grotere VI's opgebouwd worden. Het is de bedoeling dat de gebruiker de indruk krijgt met een apparaat te werken, terwijl meerdere instrumenten tegelijkertijd worden aangestuurd. Voor de communicatie met het meetapparaat kan het RS232- en GPIB-protocol worden gebruikt. Omdat met het GPIB-protocol meerdere apparaten parallel kunnen worden aangesloten op een bus is hiervoor gekozen.
2. Opbouw van het besturingsprogramma voor de lock-in amplifier opstelling 2.1. Eisen die aan het programma worden gesteld 1. De gebruiker heeft het idee dat 1 apparaat gebruikt wordt 2. Minimale en maximale frequentie instelbaar 3. Aantal meetpunten instelbaar 4. Berekening volgende frequentie logaritmisch of lineair 5. Amplitude van de generator instelbaar 6. Omrekenfactor van de stroomprobe ingebouwd 7. Meetgegevens opgeslagen in spreadsheet-file 8. File-naam door gebruiker op te geven 9. Verloop van spanningen zichtbaar op scherm 10. Meetwaarden zichtbaar op scherm 11. Automatisch afwerken ingestelde meetprogramma 12. Signalering wanneer programma afgelopen is 13. Generatorspanning afschakelen na afloop meet-sessie 14. Apparaten vrijgeven na afloop meet-sessie
B.10
2.2. Driver voor de functiegenerator De driver voor de functiegenerator is opgebouwd uit standaard VI's voor dit apparaat, geleverd door de leverancier van Labview (National Instruments). De totale VI heeft de naam HP33120A EXAMPLE.vi. Ais parameters moeten worden opgegeven: GPIB-adres, golfvorm, frequentie, amplitude, eenheid van de amplitude (V RMS ' V top ' dBV, enz). Het GPIB adress van de generator is 10. De golfvorm is vastgelegd (sinus), de frequentie en amplitude zijn vrij in te stellen, als eenheid kan gekozen worden voor V RMS of V top '
2.3. Driver voor de multimeter Ook de driver voor de multimeter is opgebouwd uit standaard VI's. Deze zijn samengebouwd onder de naam INPUT A.vi. Hierbij zijn de parameters: GPIB-adres, frequentie, AC-filter, meetbereik, trigger en delay. Het GPIB-adres van de multimeter is 22. De frequentie wordt gebruikt voor het instellen van de tijdconstante van het ACfilter. Onder 50 Hz moet het filter op Slow staan, daarboven voldoet Medium, dit wordt automatisch ingesteld. Ook voor het meetbereik is de automatische instelling gekozen. De trigger staat vast ingesteld op internal en de delay op 5 seconden.
2.4. Driver voor de lock-in amplifier Een standaard driver voor de Lock-in amplifier was niet beschikbaar. Daarom is hiervoor een eigen driver-set ontwikkeld. Deze driver zal daarom gedetailleerder beschreven worden. De driver voor de lock-in amplifier heeft de naam INPUT B.vi gekregen. De enige 2 varia belen die er aan meegegeven moeten worden zijn de meetfrequentie en het GPIB adres. Dit adres staat standaard ingesteld op 12. De frequentie wordt gebruikt bij het instellen van de tijdconstante, en wachttijd tussen 2 metingen. Ais eerste stap wordt de tijdconsante van de lock-in amplifier ingesteld. Deze is afhankelijk van de meetfrequentie. Onder 10Hz wordt 5 seconden ingesteld, tussen 10Hz en 1 kHz, 1 seconde en boven 1 kHz, 0.5 seconde. Verder wordt tijdens deze stap het meetbereik automatisch aangepast. Tijdens de tweede stap wordt gewacht tot de meetwaarde van de lock-in stabiel is. De wachttijd is afhankelijk van de ingestelde tijdconstante, en dus indirekt van de frequentie. Onder 10Hz wordt 10 seconden gewacht, tussen 10Hz en 1 kHz 7.5 seconden en boven 1 kHz, 5 seconden. De derde en laatste stap is het aflezen van de meetwaarden (spanning en hoek ten opzichte van de referentie). Hiervoor is een aparte VI geschreven, deze heet EG&G 5302 READ MEAS.vi.
B.11
Deze werkt in de volgende stappen: 1. Vraag het meetbereik en de spanning (gecodeerd in promilles van volle schaaD op 2. Wacht 0,5 seconde 3. Lees waarden 4. Vergelijk met 30% en 120% van volle schaal 5. Buiten dit bereik: stel automatisch nieuw bereik in en ga terug naar stap 1 Binnen dit bereik: 6. Vraag de gevoeligheid en de fase op 7. Wacht 0.5 seconde 8. Lees gevoeligheid en fase 9. Converteer de gecodeerde spanningswaarde naar echte spanning 10. Display gelezen spanning en fase 11. Bereken reeel en imaginair deel van de spanning en stuur ze naar display
2.5. Opbouw totaal-programma De totale driver heeft de naam LF ANALYSER.vi gekregen. Deze is onder andere opgebouwd uit de hiervoor beschreven blokken. Hieronder wordt stapsgewijs de werking van het totaal-programma beschreven.
1. Na het opstarten van het programma kunnen de parameters voor de meting worden ingesteld. Deze parameters zijn: - De start frequentie (~ 3 Hz) - De stop frequentie (:5 1 MHz) - Het aantal stappen tussen start en stop - De verdeling van de punten (Iineair of logaritmisch) - De amplitude van de spanning (:5 3.5 V RMS of 10Vtt ) - Het bereik van de stroomprobe, voor het omrekenen van spanning naar stroom 2. Na het indrukken van de start-knop met de muis-toets wordt de filenaam waar de meting moet worden opgeslagen gevraagd. 3. De meting start bij de laagste frequentie. De spanning en (multimeter en lock-in) en de fase worden gelezen en op het scherm weergegeven als getalwaarde en in een grafiek. Verder worden spanning en stroom op elkaar gedeeld, zodat gelijk Zt afgelezen kan worden. 4. De waarden worden in de file bijgeschreven, frequentie, spanning lock-in, hoek, stroom 5. De volgende frequentie wordt berekend, enz.
B.12
2.6. Gebruikershandleiding 1. Bouw eerst de meetopstelling op en test deze zonder besturing 2. Start het besturingsprogramma op. De meetapparaten zijn nu niet meer met de hand in te stellen. de controle is overgenomen door het programma. 3. Stel de gewenste parameters in. De instelbare waarden hebben een display met een witte achtergrond. De displays met een zwarte achtergrond zijn aileen bedoeld om meetwaarden af te lezen. 4. Druk de knop 'START' in. Het programma start nu de meetsessie. Allereerst moet een FILEI\JAAM ingetypt of uitgekozen worden. Wanneer een bestaande file wordt gekozen, worden de meetdata achteraan in deze file toegevoegdl 5. De duur van de meetsessie is afhankelijk van het aantal meetpunten, en de frequentie. Veel metingen bij lage frequenties (onder 1 kHz) zorgen voor een lange duur. Ter indicatie: 51 punten tussen 10Hz en 1 MHz duurt ongeveer 20 minuten. Dezelfde meting 'met de hand' uitgevoerd duurt minimaal een uur, als het intypen van de meetdata in een editor meegerekend wordt. 6. Wanneer een fout geconstateerd wordt kan de meting onderbroken worden door op de 'STOP' knop te drukken. Deze heeft echter pas effect tussen twee meetwaarden in, het kan daarom een aantal seconden duren voor de knop reageert.
2.7. Aanbevelingen voor eventuele verbeteringen De metingen zouden sneller uitgevoerd kunnen worden als de wachttijd tussen 2 metingen verkort kan worden. De minimaal benodigde tijd is niet onderzocht, er is een werkende waarde gekozen. Moge'ijk is hier tjjdwinst te behalen. Gebleken is dat het bereik aanpassen wanneer de meetwaarde tussen 30 en 120% van de volle schaal ligt, geen stabiel proces is. Bij sommige meetwaarden blijft het programma in deze Ius hangen. Hier zou een beter criterium gezocht moeten worden. De metingen worden nauwkeuriger als per frequentie een aantal meetwaarden genomen en daarna gemiddeld wordt. Nog mooier is het om ook de offset te verrekenen door ook bij iedere frequentie een of meerdere nulmetingen uit te voeren.
3. Opbouw van het besturingsprogramma voor de digitale oscilloscoop 3.1. Eisen die aan het programma worden gesteld 1. 2. 3. 4. 5.
Opslaan meetgegevens in ASCII-file Instelbaar aantal kanalen (min. 4) Meetgegevens zichtbaar op scherm Verloop zichtbaar op scherm Instellen venster mogelijk
B.13
3.2. Opbouw van het programma Het programma voor de uitlezing van de oscilloscoop is opgebouwd uit standaardblokken, geleverd door National Instruments. Daarom is het niet zinvol en overzichtelijk de blokken te beschrijven. Het programma bestuurd niet de oscilloscoop, deze moet met de hand worden ingesteld. Het grootste voordeel van gebruik van deze driver is dat de ingebouwde diskdrive van de oscilloscoop niet hoeft te worden gebruikt, deze is erg traag. Verder worden de data in ASCII formaat opgeslagen, en kunnen meerdere kanalen in 1 file worden samengevoegd. Op het scherm kan met behulp van 4 schuifschakelaars worden ingesteld welk kanaal in welke kolom van de file wordt opgeslagen. Verder kan voor iedere kolom worden ingesteld of het wei of niet moet worden opgeslagen. De oscilloscoop heeft maar 2 kanalen, daarnaast zijn 4 geheugens beschikbaar. Door steeds 2 kanalen op te slaan in het geheugen van de oscilloscoop en 2 kanalen on-line te meten kunnen files met 4 kanalen gemaakt worden. Het is hierbij wei van belang dat steeds hetzelfde bereik wordt gebruikt, en dat steeds op hetzelfde signaal wordt getriggerd. Dit omdat de tijdas slechts 1 keer wordt opgeslagen. Het
3.3. Gebruikershandleiding 1. Bouw de meetopstelling op en test deze. 2. Gebruik kanaal 1 om op te triggeren, en sla kanaal 2 op in geheugen 1, 2, 3 of 4. 3. Sluit kanaal 2 op een ander meetsignaal aan, en sla dit op in een vrij geheugen. 4. Sluit kanaal 2 weer op een ander meetsignaal aan. 5. Stel in welke kanaal/geheugen in welke kolom moet worden opgeslagen. 6. Druk op de knop 'READ'. De meetsignalen worden nu ingelezen en op het display zichtbaar gemaakt. 7. Ais de meting geslaagd is kan op 'SAVE' gedrukt worden. Ais de meting niet geslaagd is kan op 'CANCEL' gedrukt en opnieuw begonnen worden. 8. Na het drukken op 'SAVE' moet een filenaam worden gekozen. Na het drukken op 'ENTER' wordt de file weggeschreven. Het formaat is: Tijd, Kanaal 1, Kanaal 2, Kanaal 3, Kanaal 4.
3.4. Aanbevelingen voor eventuele verbeteringen Tot nu toe worden kolommen die uitgeschakeld staan gevuld met nullen. Het is ook mogelijk deze niet op te slaan. Dit levert kleinere files op. Mogelijk is het automatisch instellen van een aantal standaard instellingen van de oscilloscoop een handige optie.
B.14
Bijlage 6. Lijst van uitgevoerde metingen Bij iedere meting is de filenaam waarin de gegevens zijn opgeslagen aangegeven. Uit de beginletter van de filenaam blijkt met welk meetapparaat gemeten is: I = Lock-in amplifier a, b, c, d, r = Network analyser, resp. ingang A, B, A (2 e keer), B (2 e keer), R s = S-parameter test-set o = Digitale oscilloscoop
1
2
4
3 .
W2L
5
6
Print 1; 2 haakse bochten Bersier; A fsluiting: Stroom spoor 1 CM-stroom Stroom spoor 1 + CM-stroom Stroom spoor 2 CM-stroom Stroom spoor 2 + CM-stroom Stroom spoor 3 CM-stroom Stroom spoor 3 + CM-stroom Stroom spoor 4 CM-stroom Stroom spoor 4 + CM-stroom
8
7
00 a 272.txt r 272.txt s 268.txt b 272.txt r 272.txt s 269.txt c_272.txt r 272.txt s 270.txt d 272.txt r 272.txt s_271.txt
680 s 225.txt
s 226.txt
s 227.txt
s 228.txt
8.15
DM-DM: DM-koppeling spoor 1 Injeetie stream spoor 1 DM-spanning spoor 2 DM-koppeling spoor 1 DM-koppeling spoor 1 Injeetie stroom spoor 1 DM-spanning spoor 3 DM-koppeling spoor 1 DM-koppeling spoor 1 Injectie stroom spoor 1 DM-spanning spoor 4 DM-koppeling spoor 1 -
Afsluiting: spoor 2
spoor 2 spoor 3
spoor 3 spoor 4
spoor 4
CM-DM CM-DM-koppeling spoor Injeetie streom spoor 1 CM-spanning CM-DM-koppeling spoor CM-DM-koppeling spoor Injeetie stroom spoor 2 CM-spanning CM-DM-koppeling spoor CM-DM-koppeling spoor Injeetie stroom spoor 3 CM-spanning CM-DM-koppeling spoor CM-DM-koppeling spoor Injeetie streom spoor 4 CM-spanning CM-DM-koppeling spoor
Afsluiting: 1
1 2
2 3
3 4
4
00 li12 215.mat r 216.txt a 216.txt s 217.txt 1i13 215.mat r 216.txt b 216.txt s 218.txt li14 215.mat r 216.txt e 216.txt s 219.txt
680 li12 220.mat r 221.txt a 221.txt s 222.txt li13 220.mat r 221.txt b 221.txt s 223.txt li14 220.mat r 221.txt e 221.txt s 224.txt
00 lie1 234.mat r 233.txt a 233.txt s 229.txt lie2 234.mat r 233.txt b 233.txt s 230.txt lic3 234.mat r 233.txt e 233.txt s 231.txt lie4 234.mat r 233.txt d 233.txt s 232.txt
680 lie1 240.mat r 239.txt a 239.txt s 235.txt Iic2 240.mat r 239.txt b 239.txt s 236.txt lie2 240.mat r 239.txt e 239.txt s_237.txt lie3 240.txt r 239.txt d 239.txt s 238.txt
Print 2; 2 haakse knikken met afgesehuinde heeken Bersier: Stroom spoor CM-stroom Stroom spoor Stroom spoor CM-stroom Stroom spoor CM-stroom Streom spoor Stroom spoor CM-stroom Stroom spoor Stroom spoor
8.16
Afsluiting:
00
1 1 + CM-stroom 2
s 273.txt
2 + CM-stroom
s 274.txt
3 3 + CM-stroom
s 275.txt
4 4 + CM-stroom
s 276.txt
680 a 267.txt r 267.txt s 263.txt b 267.txt r 267.txt s 264.txt r 267.txt e_267.txt s 265.txt r 267.txt d 267.txt s 266.txt
DM-DM; DM-koppeling spoor 1 Injeetie streom spoor 1 DM-spanning spoor 2 DM-koppeling spoor 1 DM-koppeling spoor 1 Injeetie stroom spoor 1 DM-spanning spoor 3 DM-koppeling spoor 1 DM-koppeling spoor 1 Injeetie stroom spoor 1 DM-spanning spoor 4 DM-koppeling spoor 1 -
Afsluiting: spoor 2
spoor 2 spoor 3
spoor 3 spoor 4
spoor 4
CM-DM CM-DM-koppeling spoor 1 Injeetie stroom spoor 1 CM-spanning CM-DM-koppeling spoor 1 CM-DM-koppeling spoor 2 Injeetie stroom spoor 2 CM-spanning CM-DM-koppeling spoor 2 CM-DM-koppeling spoor 3 Injeetie stroom spoor 3 CM-spanning CM-DM-koppeling spoor 3 CM-DM-koppeling spoor 4 Injeetie stroom spoor 4 CM-spanning CM-DM-koppeling spoor 4
Afsluiting:
00 1i12 242.mat r 241.txt a 241.txt s_243.txt li13 242.mat r 241.txt b 241.txt s 244.txt li14 242.mat r_241.txt e 241.txt s 245.txt
680 li12 261.mat r 262.txt a 262.txt s 258.txt li13261.mat r 262.txt b 262.txt s 259.txt li14.261.mat r 262.txt e 262.txt s 260.txt
00 lie1 250.txt r_251 ,txt a 251.txt s 246.txt lie2 250.mat r 251.txt b 251.txt s_247.txt lie3 250.mat r 251.txt e 251.txt s 248.txt lie4 250.mat r 251.txt d 251.txt s 249.txt
680 lie1 253.mat r 252.txt a 252.txt s 254.txt lie2 253.mat r 252.txt b 252.txt s 255.txt lie3_253. mat r 252.txt e 252.txt s 256.txt lie4 253.mat r 252.txt d 252.txt s 257.txt
00 lib1 280.mat a 284.txt r 284.txt s 312 b1.txt lib2 280.mat b 284.txt r 284.txt s 312 b2.txt lib3 280.mat e 284.txt r 284.txt s 312 b3.txt lib4 280.mat d 284.txt r 284.txt s 312 b4.txt
680 Iib1 291.mat a 287.txt r 287.txt s 313 b1.txt lib2 291.mat b 287.txt r 287.txt s 313 b2.txt lib3 291 .mat e 287.txt r 287.txt s 313 b3.txt lib4 291.mat d 287.txt r 287.txt s 313 b4.txt
Print 3; 2 haakse boehten en aftakking Bersier; Stroom spoor Stroom spoor CM-streom Stroom spoor Stroom spoor Stroom spoor CM-stroom Streom spoor Stroom spoor Stroom spoor CM-stroom Stroom spoor Streom spoor Stroom spoor CM-stroom Stroom spoor
Afsluiting: 1 + CM-stroom 1 1 + CM-stroom 2 + CM-streom 2 2 + CM-stroom 3 + CM-stroom 3 3 + CM-stroom 4 + CM-stroom 4 4 + CM-stroom
8.17
OM-OM; OM-koppeling spoor 1 Injectie stroom spoor 1 OM-spanning spoor 2 OM-koppeling spoor 1 OM-koppeling spoor 1 Injectie stroom spoor 1 OM-spanning spoor 3 OM-koppeling spoor 1 OM-koppeling spoor 1 Injectie stroom spoor 1 OM-spanning spoor 4 OM-koppeling spoor 1 -
Afsluiting: spoor 2
spoor 2 spoor 3
spoor 3 spoor 4
spoor 4
00 li12 279.mat r 285.txt a 285.txt s 311 12.txt li13 279.mat r 285.txt b 285.txt s 311 13.txt li14 279.mat r 285.txt c 285.txt s 311 14.txt
680 1i12 294.mat r 286.txt a 286.txt s 314 12.txt li13 294.mat r 286.txt b 286.txt s 314 13.txt 1i14294.mat r 286.txt c 286.txt s 314 14.txt
00 Iib1 299.txt a 301.txt r 301.txt s_300_b1.txt lib2 299. txt b 301.txt r 301.txt s 300 b2.txt lib3 299.txt c 301.txt r 301.txt s 300 b3.txt lib4 299.txt d 301.txt r 301.txt s 300 b4.txt
680 lib1 310.txt a 308.txt r 308.txt s 309 b1.txt lib1 310.txt b 308.txt r 308.txt s 309 b2.txt lib2310.txt c 308.txt r 308.txt s 309 b3.txt lib4 310.txt d 308.txt r 308.txt s_309_b4.txt
00 li12 304.mat r 302.txt a 302.txt s 303 12.txt li13 304.mat r 302.txt b 302.txt s 303 13.txt li14 304.mat r 302.txt c 302.txt s 303 14.txt
680 li12 305.mat r 307.txt a 307.txt s 306 12.txt li13 305.mat r 307.txt b 307.txt s 306 13.txt li14 305.mat r 307.txt c 307.txt s 306 14.txt
Print 4; Meanderend spoor Bersier; Stroom spoor Stroom spoor CM-stroom Stroom spoor Stroom spoor Stroom spoor CM-stroom Stroom spoor Stroom spoor Stroom spoor CM-stroom Stroom spoor Stroom spoor Stroom spoor CM-stroom Stream spoor
A fsluiting: 1 + CM-stroom 1 1 + CM-stroom 2 + CM-stroom 2 2 + CM-stroom 3 + CM-stroom 3 3 + CM-stroom 4 + CM-stroom 4 4 + CM-stroom
OM-OM; OM-koppeling spoor 1 Injectie stroom spoor 1 OM-spanning spoor 2 OM-koppeling spoor 1 OM-koppeling spoor 1 Injectie stream spoor 1 OM-spanning spoor 3 OM-koppeling spoor 1 OM-koppeling spoor 1 Injectie stroom spoor 1 OM-spanning spoor 4 OM-koppeling spoor 1 -
8.18
Afsluiting: spoor 2
spoor 2 spoor 3
spoor 3 spoor 4
spoor 4
Print 5; Digitale print. HCT-Iogica Parameters stroom-meetlus Kortgesloten spoor Karakteristiek afgesloten spoor Bersierj (steeds gemiddeld over Injectiestroom + CM-spanning; Injectiestroom + CM-spanning; Injectiestroom + CM-spanning;
s Ius 1.txt sJus_2.txt 500 metingen) 10 MHz o 350 10.mat 20 MHz o 350 20.mat 50 MHz o 350 50.mat
OM-OM; (steeds gemiddeld over 500 metingen) Injectiestroom; OM -spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 10 MHz 0 349 10.mat Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 20 MHz
o 349 20.mat
Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 50 MHz
o 349
50.mat
Print 6; Digitale print. HLL-Iogica Parameters van de meetlus Kortgesloten spoor Karakteristiek afgesloten spoor
s 343 sc.txt s_343_68.txt
Bersier; Injectiespoor aileen afgesloten met poorten. Injectiestroom + CM-spanning; 10 MHz 0_356_10.mat Injectiestroom + CM-spanning; 20 MHz 0_356_20.mat Injectiestroom + CM-spanning; 50 MHz 0_356_50.mat Injectiestroom + CM-spanning; 100 MHz 0_356100.mat Injectiespoor aileen afgesloten met 1 x 68 n. Injectiestroom + CM-spanning; 10 MHz 0_355_10.mat Injectiestroom + CM-spanning; 20 MHz 0_355_20.mat Injectiestroom + CM-spanning; 50 MHz 0_355_50.mat Injectiestroom + CM-spanning; 100 MHz o 355100.mat Injectiespoor aileen afgesloten met 3 x 220 n. Injectiestroom + CM-spanning; 10 MHz o 354 10.mat Injectiestroom + CM-spanning; 20 MHz o 354 20.mat Injectiestroom + CM-spanning; 50 MHz 0_354_50.mat Injectiestroom + CM-spanning; 100 MHz 0_354100.mat
B.19
OM-OM; Injectiespoor aileen afgesloten met poorten. Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 10 MHz 0 351 10.mat Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 20 MHz
0
351 20.mat
Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 50 MHz
0
351 50.mat
Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 100 MHz
0
3511 OO.mat
Injectiespoor aileen afgesloten met 1 x 68 n. Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 10 MHz 0 352 10.mat Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 20 MHz
0
352 20.mat
Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 50 MHz
0
352 50.mat
Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 100 MHz
o_352100.mat
Injectiespoor aileen afgesloten met 3 x 220 n. Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 10 MHz 0 353 10.mat Injectiestroom; OM-spanning spoor 1; OM-spanning spoor 2; OM-spanning spoor 4; 20 MHz
8.20
o 353 20.mat
lnjectiestroom; DM-spanning spoor 1; DM-spanning spoor 2; DM-spanning spoor 4; 50 MHz
o 353 50.mat
Injectiestroom; DM-spanning spoor 1; DM-spanning spoor 2; DM-spanning spoor 4; 100 MHz
o 353100.mat
Print 7; 3 mm spleet in het aardvlak Bersier; Stroom Stroom Stroom Stroom Stroom Stroom Stroom Stroom
spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor
DM-DM; DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling
1 1 2 2 3 3 4 4
+ + + + + + + +
Afsluiting: CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom
on
Afsluiting: 2 2 3 3 4 4 3 3 4 4 4 4
on
spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor
1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3
-
spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor
1 346 b1.txt s 340 b1.txt 1 346 b2.txt s 340 b2.txt I 346 b3.txt s 340 b3.txt 1 346 b4.txt s 340 b4.txt
68 n 1 345 b1.txt s 342 b1.txt I 345 b2.txt s 342 b2.txt 1_345_b3.txt s 342 b3.txt 1 345 b4.txt s 342 b4.txt
1347 12.mat s 339 12.txt 1 347 13.mat s_339_13.txt 1 347 14.mat s 339 14.txt I 347 23.mat s_339_23.txt I 347 24.mat s 339 24.txt 1_347_34.mat s 339 34.txt
68 n 1 345 s 342 1 345 s 342 1 345 s 342 1 345 s 342 1 345 s 342 I 345 s 342
on
68
12.mat 12.txt 13.mat 13.txt 143.mat 14.txt 23.mat 23.txt 24.mat 24.txt 34.mat 34.txt
Print 8; 50 mm spleet in het aardvlak Bersier; Stroom Stroom Stroom Stroom Stroom Stroom Stroom Stroom
spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor
1 1 2 2 3 3 4 4
+ + + + + + + +
Afsluiting: CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom CM-stroom
I 359 b1.txt s 348 b1.txt 1 359 b2.txt s 348 b2.txt 1 359 b3.txt s 348 b3.txt 1_359_b4.txt s_348_b4.txt
n
s 361 b1.txt s 361 b2.txt s 361 b3.txt s 361 b4.txt
8.21
DM-DM; DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling DM-koppeling
spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor
1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3
-
spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor spoor
Afsluiting: 2 2 3 3 4 4 3 3 4 4 4 4
on I 358 12.mat s 357 12.txt I 358 13.mat s_357_13.txt I 358 14.mat s 357 14.txt I 358 23.mat s 357 23.txt I 358 24.mat s 357 24.txt I 358 34.mat s 357 34.txt
68 n I 363 12.mat s 360 12.txt I 363 13.mat s 360 13.txt I 363 14.mat s 360 14.txt I 363 23.mat s_360_23.txt I 363 24.mat s 360 24.txt I 363 34.mat s 360 34.txt
Diversen; Invloed van de PVC-klemmen en achterplaat op de frequentie-karakteristiek (zie fig 3.1) 5 em brede print met reehte sporen; kortgesloten; 10 em hoge voor- en aehterplaat Met aehterplaat DM-DM-koppeling spoor 1 - spoor 2 DM-DM-koppeling spoor 1 - spoor 3
Wei klemmen s 295 12.txt s 295 13.txt
Geen klemmen s 296 12.txt s_296_13.txt
Zonder aehterplaat DM-DM-koppeling spoor 1 - spoor 2 DM-DM-koppeling spoor 1 - spoor 3
Wei klemmen s 297 12.txt s 297 13.txt
Geen klemmen s 298 12.txt s 298 13.txt
Be'invloeding van de CM-stroom ontstaan op de print in DM-DM-opstelling met en zonder een messing plaat onder de opstelling (Zie fig 3.8) 5 em brede print, reehte sporen, kortgesloten Zonder messing plaat Aantal ferrieten om kabels: Spoor 1 - spoor 2 Spoor 1 - spoor 3 Spoor 1 - spoor 4
o
10 s 326 121 s 326 131 s 326 141
20 s 326 122.txt s 326 132.txt s 326 142.txt
10 s 327 121 s 327 131 s_327_141
20 s 327 122.txt s 327 132.txt s 327 142.txt
5 em brede print, rechte sporen, karakteristiek afgesloten Zonder messing plaat Aantal ferrieten om kabels: o 10 Spoor 1 - spoor 2 s 328 120 s_328_121 Spoor 1 - spoor 3 s 328 130 s_328_131 Spoor 1 - spoor 4 s 328 141 s 328 140
20 s_328_122.txt s 328 132.txt s_328_142.txt
Met messing plaat Aantal ferrieten om kabels: Spoor 1 - spoor 2 Spoor 1 - spoor 3 Spoor 1 - spoor 4
8.22
s 326 120 s 326 130 s 326 140
o s 327 120 s 327 130 s 327 140
Met messing praat Aantal ferrieten am kabels: Spoor 1 - spoor 2 Spoor 1 - spoor 3 Spoor 1 - spoor 4
°
s 329 120 s_329_130 s 329 140
10 s 329 121 s_329_131 s 329 141
20 s 329 122.txt s 329 132.txt s 329 142.txt
eM-stromen op meet- en injectie-kabel en de invloed van ferrieten Opstelling: 5 em brede print, reehte sporen, 10 em hoge frontplaat
'=~
Injectie
Meet
Injectie
Kortgesloten, geen messing plaat onder print Spoor 1 - spoor 2 ferrieten Clamp am inj. + meet-kabel r330_120.txt Clamp am injeetie-kabel r330 1 O.txt Clamp am meet-kabel r330=2=0.txt
°
°
1 ferrieten r330 121.txt r330 1 1.txt r330 2 1.txt
20 ferrieten r330 122.txt r330 1 2.txt r330 2 2.txt
10 ferrieten r331 121 .txt r331 1 1.txt r331 2 1.txt
20 ferrieten r331 122.txt r331 1 2.txt r331 2 2.txt
ferrieten r332 120.txt r332 1 O.txt r332 2 O.txt
10 ferrieten r332121.txt r332 1 1.txt r332 2 1.txt
20 ferrieten r332 122.txt r332 1 2.txt r332 2 2.txt
Kortgesloten, messing plaat onder print Spoor 1 - spoor 2 ferrieten Clamp am inj. + meet-kabel r333 120.txt Clamp am injeetie-kabel r333-1 O.txt Clamp am meet-kabel r333- 2-0. txt
1 ferrieten r333 121 .txt r333 1 1.txt r333 2 1.txt
Spoor 1 - spoor 3 Clamp am inj. + meet-kabel Clamp am injeetie-kabel Clamp am meet-kabel Spoor 1 - spoor 4 Clamp am inj. + meet-kabel Clamp am injeetie-kabel Clamp am meet-kabel
°
ferrieten r331 120.txt r331 1 O.txt r331 2 O.txt
°
°
Spoor 1 - spoor 3 Clamp am inj. + meet-kabel Clamp am injeetie-kabel Clamp am meet-kabel
°
ferrieten r334 120.txt r334_1_0.txt r334_2_0.txt
° °
1 ferrieten r334 121.txt r334 1 1.txt r334 2 1.txt
20 ferrieten r333 122.txt r333 1 2.txt r333 2 2.txt 20 ferrieten r334_122.txt r334_1_2.txt r334_2_2.txt
8.23
Spoor 1 - spoor 4 Clamp om inj. + meet-kabel Clamp om injectie-kabel Clamp om meet-kabel
o ferrieten r335 120.txt r335 1 O.txt r335 2 O.txt
Karakteristiek afgesloten, messing plaat onder print Spoor 1 - spoor 2 o ferrieten r336 120.txt Clamp om inj. + meet-kabel Clamp om injectie-kabel r336 1 O.txt Clamp om meet-kabel r336 2 O.txt
o ferrieten
10 ferrieten r335121.txt r335 1 1.txt r335 2 1.txt
20 ferrieten r335 122.txt r335_1_2.txt r335 2 2.txt
10 ferrieten r336 121.txt r336 1 1.txt r336 2 1.txt
20 ferrieten r336 122.txt r336 1 2.txt r336 2 2.txt
Spoor 1 - spoor 3 Clamp om inj. + meet-kabel Clamp om injectie-kabel Clamp om meet-kabel
r337 120.txt r337 1 O.txt r337 2 O.txt
10 ferrieten r337 121.txt r337 1 1.txt r337 2 1.txt
20 ferrieten r337 122.txt r337 1 2.txt r337 2 2.txt
Spoor 1 - spoor 4 Clamp om inj. + meet-kabel Clamp om injectie-kabel Clamp om meet-kabel
o ferrieten r338 120.txt r338 1 O.txt r338 2 O.txt
10 ferrieten r338 121.txt r338 1 1.txt r338 2 1.txt
20 ferrieten r338 122.txt r338 1 2.txt r338 2 2.txt
8.24
