Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La compatibilité magnétique s'applique aujourd'hui également au niveau des circuits et des composants mêmes. Cet article explicite les émissions produites par les circuits intégrés et leur susceptibilité. Il détaille les différentes méthodes de mesure de ces phénomènes, et présente un modèle, appelé ICEM pour Integrated Circuit Electromagnetic Model, permettant de simuler ces phénomènes. Enfin les éléments logiciels défensif, qui augmentent la robustesse du système, sont présentés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Mohamed RAMDANI : Docteur de l’université Paul-Sabatier de Toulouse - Enseignant-Chercheur à l’École supérieure d’électronique de l’Ouest à Angers Membre de l’UTE
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Étienne SICARD : Professeur à l’INSA de Toulouse, Docteur en microélectronique - Concours scientifique CEM composants à EADS-Corporate Research Center
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Sonia BENDHIA : Ingénieur INSA de Toulouse, Docteur en microélectronique - Maître de conférence à l’INSA de Toulouse
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Sébastien CALVET : Ingénieur INSA Toulouse, Physique des matériaux - microélectronique - Doctorant CIFRE à Motorola et au LESIA
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Stéphane BAFFREAU : Docteur en conception des circuits microélectroniques et microsystèmes
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Jean-Luc LEVANT : Expert technique analogique et CEM des circuits intégrés Atmel, Nantes - Membre de l’UTE
INTRODUCTION
La directive européenne définit la compatibilité électromagnétique (CEM) comme étant :
« L’aptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement ».
Depuis une dizaine d’années, les circuits intégrés et plus particulièrement le composant rejoignent les appareils et les systèmes dans le domaine de la CEM.
En effet, l’apparition des nouvelles matrices de portes logiques à haute densité (plusieurs centaines de milliers de portes à plusieurs millions de portes), les nouvelles technologies (0,25 µm, 0,18 µm, 0,12 µm et bientôt moins de 90 nm) et les méthodes de conception haut niveau de type SOC (System On Chip), autorisent une forte intégration de fonctions complexes et rapides tels que processeurs de signaux numériques spécialisés, chaînes de traitement de signal, séquenceurs complexes d’algorithme de télécommunications, etc. Cela ne reste pas sans conséquences : la commutation simultanée de milliers de bascules, des variations rapides de courant sur les différents rails d’alimentation, des variations de potentiel sur les alimentations internes et externes qui peuvent être de l’ordre de grandeur des seuils logiques des portes. On entre de plain-pied dans le domaine de la compatibilité électromagnétique des circuits intégrés.
Dans cet article, on tentera d’expliquer l’origine des phénomènes majeurs qui ont lieu dans un circuit intégré, à savoir l’émission (conduite et rayonnée) et la susceptibilité. Les méthodes de mesure aussi bien pour l’émission que la susceptibilité seront décrites. On présentera le modèle permettant de simuler, voire prédire, l’émission des circuits intégrés, appelé ICEM (Integrated Circuit Electromagnetic Model), actuellement en cours de normalisation. Enfin, on décrira l’approche de logiciel « défensif », ensemble de techniques utilisées pour renforcer la robustesse d’un système.
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État d’avancement des travaux des comités normatifs2. Modélisation de l’émission parasite
La modélisation de l’émission parasite d’un circuit intégré est une tâche d’autant plus délicate que le circuit est complexe et que ses composantes internes sont difficilement accessibles. Il est cependant possible de construire un modèle à base d’éléments simples (résistances, inductances, capacités, générateurs de courants) qui permettent une évaluation relativement précise des spectres tels qu’ils sont mesurés sur le composant.
Les objectifs du modèle d’émission sont de reproduire par simulation les composantes énergétiques en fonction de la fréquence, en mode conduit selon la norme IEC 61967-4 (1 Ω en série sur l’alimentation) et en mode rayonné selon la norme IEC 61967-2 (cellule TEM).
Nous nous intéressons à ces deux méthodes de mesure plus particulièrement, car elles couvrent à elles seules l’essentiel des demandes des équipementiers. D’autres méthodes de mesure existent et seront décrites dans la suite de cet article. Toutefois, elles ne seront pas étudiées d’un point de vue modélisation.
La modélisation de l’émission conduite concerne principalement la prédiction de l’énergie parasite injectée par le circuit intégré dans les alimentations. La mesure IEC 61967-4 consiste à récupérer une partie de l’énergie aux bornes d’une résistance de 1 Ω. On obtient une image du courant au moyen d’un oscilloscope ou d’un analyseur de spectre. La concordance temps/fréquence de ces deux mesures est en général très bonne. On peut donc s’intéresser soit au domaine temporel, soit au domaine fréquentiel, bien que ce dernier soit en général beaucoup plus riche en information et commode à exploiter. Un exemple de spectre mesuré sur un composant programmable de type microcontrôleur 16 bits est reporté sur la figure 3.
la correspondance entre dBµV et V ainsi qu’entre P et PdBm est rappelée dans l’encadré.
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Modélisation de l’émission parasite
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PFAFF (W.R.) - Application independent evaluation of electromagnetic emission for Ics by the measurement of conducted signal. - Proceedings of the IEEE International Symposium on EMC, p. 219-224 (1998).
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(2) - FIORI (F.), PIGNARI (S.) - Analysis of a test set-up for the characterization of IC electromagnetic emission. - Proceedings of the IEEE EMC Symposium, p. 375-378 (2000).
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(3) - MUCCIOLI (J.P.), NORTH (T.), SLATTERY (K.) - Investigations of the theoretical basis for using a 1 GHz TEM cell to evaluate the radiated emissions from integrated circuits. - In Proceedings of the IEEE international Symposium on Electromagnetic Compatibility, p. 63-67 (1996).
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(4) - MUCCIOLI (J.P.), NORTH (T.), SLATTERY (K.) - Characterization of the RF emissions from a family of microprocessors using a 1 GHz TEM cell. - In Proceedings of the IEEE EMC Symposium, Austin (1997).
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(5) - * - International Electro-technical Commission IEC 61967 : Integrated Circuits, Measurements of Conducted and Radiated Electromagnetic Emission, IEC standard (1999).
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