Benutzerhandbuch

Set P1601, P1602 / P1702

1 Messsysteme für elektrisches und magnetisches Störfeld von IC

1.1 Einführung

Die Probes P1601, 1602 und P1702 sind Feldsonden. Sie dienen der Messung von elektrischen (E) oder magnetischen (H, B) HF-Feldern, die von ICs abgegeben werden.

Praktischer Hintergrund ist die elektromagnetische Störaussendung von elektronischen Geräten (Betriebsmittel und Einrichtungen). Zum Feststellen der Störaussendung, werden die elektronischen Geräte einer Prüfung nach Norm unterzogen. Die Grenzwerte und Grundnormen sind in den Fachgrundnormen IEC (EN) 61000-6-3 und IEC (EN) 61000-6-4 enthalten. Bei diesen Prüfungen wird die Abstrahlung oder Weiterleitung elektromagnetischer Felder über Gehäuse oder Anschlüsse des elektronischen Gerätes gemessen.

Ursache für die Störaussendung von elektronischen Geräten sind die im Inneren ablaufenden Schaltvorgänge. Diese entstehen hauptsächlich durch das Arbeiten elektronischer Schaltungen. Auslösende Bausteine sind elektronische Schalter. Diese Schalter sind in großer Zahl in integrierten Schaltkreisen (ICs) wie Mikrokontroller, Speicherschaltkreise usw. enthalten. Sie erzeugen durch hochfrequente Schaltabläufe hochfrequente elektromagnetische Störspannungen, Störströme und Störfelder. Diese werden über das IC-Gehäuse, die Pins und Leitungsanschlüsse in die Elektronikbaugruppe abgegeben. Von der Elektronikbaugruppe werden sie in die Geräteumgebung als elektromagnetische Störaussendung abgegeben. FET-Schalter oder Dioden können durch ihr Schalten ebenfalls Störaussendung erzeugen.

Während für elektronische Geräte (Betriebsmittel und Einrichtungen) Vorgaben zur elektromagnetischen Störaussendung seit Jahren vorliegen, gibt es für Teile von Geräten, wie Baugruppen diese Regelungen nicht. Mit zunehmender Komplexität und vor allem mit zunehmender Integrationsdichte von Bauteilen (ICs) wird es immer schwieriger, die für Geräte vorgegebenen Normen einzuhalten, ohne auf geeignete genormte Bedingungen auf IC-Ebene zurückgreifen zu können.

Es besteht dringender Handlungsbedarf, die EMV-Eigenschaften von ICs zu spezifizieren und zu verifizieren. Nur so lassen sich erhebliche wirtschaftliche Risiken in der Elektronikindustrie in Grenzen halten und letztendlich eine sichere Funktion des elektronischen Gerätes gewährleisten.

Für die EMV-Charakterisierung von ICs gibt es nach der EMV-Norm für IC (IEC 61967) bereits mehrere Messverfahren: die 1 Ohm und 150 Ohm Methode zur leitungsgeführten Aussendung von IC, die TEM-Cell-Methode (Transverse Electromagnetic Cell) und die Messung mit einer IC-Streifenleitung (IC-Stripline) für die feldgebundene Messung der Aussendung von IC.

Aufgabe für das IC-Testsystem (www.langer-emv.de) ist es, die bestehenden Messverfahren in das IC-Testsystem aufzunehmen und ggf. weiter zu entwickeln. Ziel ist es für alle IC EMV-Messungen eine einheitliche Testumgebung zu schaffen und eine Automatisierbarkeit der Messungen zu ermöglichen. Eine wesentliche Aufgabe ist die Weiterentwicklung von Testverfahren. Die hier beschriebene Messung der elektromagnetischen Störfelder von IC ist ein Beispiel dafür.

Die TEM-Cell oder die IC-Stripline messen das elektrische und magnetische Feld des IC zusammengefasst in einem Messvorgang. Beide Wirkungen überlagern sich am Septum der TEM-Cell oder in der IC-Stripline (Bild 1 und Bild 2) und bilden einen gemeinsamen Messwert.

Der gemeinsame Messwert ist eine Spannung, die mit einem Spektrumanalysator als U_AV(ω) gemessen werden kann. Die Spannung U_AV(ω) ist die EMV-Größe des ICs. Aus der Spannung U_AV(ω) wird in der Praxis nicht ermittelt, welche konkrete elektrische oder magnetische Feldgröße der IC erzeugt.

Für eine globale Bewertung der Störfeldabgabe eines ICs ist diese Vorgehensweise ausreichend. Es genügt die Spannung U_AV(ω) zu vergleichen. Kenntnis über die wirkliche Stärke der Felder ist für diesen Vergleich nicht erforderlich.

Wenn technisch physikalisch fundierte Ursachenforschungen durchgeführt werden oder Werte für EMV-Simulationen erforderlich sind, werden konkrete elektrische oder magnetische Feldauskopplungen des ICs benötigt. Das bedeutet: diese Felder müssen durch entsprechende Messeinrichtungen getrennt gemessen werden. Getrennt gemessene Messergebnisse sind nicht eine Spannung U_AV(ω) sondern das Elektrische Feld E(ω) bzw. der kapazitiv ausgekoppelte Strom IP(ω) oder der magnetische Fluss Φ(ω).

Die Feldsonden P1601 und P1602 messen magnetisches HF-Feld und die Feldsonde P1702 misst elektrisches HF-Feld.

Die Dimensionierung der Feldsonden orientiert sich an den Auskoppelmechanismen von HF-Feldern aus ICs. Die dabei vorliegenden Feldorientierungen und Wirkprinzipien sind die Grundlage für den Aufbau der Feldsonden.

1.2 Das magnetische Feld von ICs und seine Messung

In Bild 3 und Bild 4 sind die Feldorientierungen und Wirkprinzipien für IC-Stromschleifen und Magnetfelder dargestellt.

Der metallische Aufbau der Flachbaugruppe bestimmt wesentlich die Formung der IC-Magnetfelder. Im Allgemeinen besitzen Flachbaugruppen im Inneren durchgehende Kupferlagen. Die Felder werden durch die Kupferlagen der Flachbaugruppe geformt.

Im Bild 3 ist eine Vdd/ Vss IC-Stromschleife dargestellt. Die stärksten Magnetfelder entstehen durch den Versorgungsstrom i des ICs. Der Stromfluss i führt vom Vdd Pin über den Stützkondensator durch die Kupferlage der Flachbaugruppe zum Vss-Pin in den IC zurück. Der Strom i erzeugt das Magnetfeld H1 und H2. Das Feld H2 bildet sich um den Stromleiter des ICs und das Feld H1 um die Kupferlage der Flachbaugruppe aus (Bild 3).

Die räumliche Ausbildung der Felder H1 und H2 um die Kupferlage der Flachbaugruppe und den IC können mit den Magnetfeldsonden der Sets RF 1, und RF 2 der Langer EMV-Technik GmbH gemessen werden.

Wie die Störabstrahlung entsteht, wird in Bild 4 gezeigt. Das Magnetfeld H1 induziert in der GND-Fläche der Flachbaugruppe die Erregerspannung U_Err. Diese Spannung treibt z.B. in Anschlussleitungen der Flachbaugruppe einen Erregerstrom. Die Anschlussleitungen müssen möglichst so lang sein wie die halbe Wellenlänge der Erregerstromfrequenzen. Dann können sich auf den Leitungen stehende Wellen ausbilden. Die Anschlussleitungen in Verbindung mit den stehenden Wellen wirken wie eine Antenne.

Wenn die Flachbaugruppe groß genug und die Frequenz hoch genug ist, können sich auf ihr ebenfalls stehende Wellen ausbilden, die zur Abstrahlung führen.

Im Bild 4 unten wird gezeigt wie das Feld H2 Störabstrahlung erzeugen kann. Wenn das Feld ein benachbartes Metallteil umfasst, wird in ihm eine Spannung U_Err induziert. Diese Spannung erzeugt auf dem benachbarten Metallteil stehende Wellen. Die stehenden Wellen erzeugen in Verbindung mit dem benachbarten Metallteil Störabstrahlung wie eine Sendeantenne. Wenn kein benachbartes Metallteil vorhanden ist, kann das Feld H2 keine Störabstrahlung erzeugen.

Magnetfeldsonden müssen so gebaut sein, dass sie den magnetische Fluss Φ(ω) auffangen, der vom Feld H2 um das benachbarte Metallteil geführt wird (Bild 4). Die Sonden P1601 und P1602 Bild 5 besitzen einen Stromleiter, der das benachbarte Metallteil im definierten Abstand h nachbildet.

1.3 Das elektrische Feld von ICs und seine Messung

elektrischen Felder des ICs entstehen durch HF-Spannungen, die im IC erzeugt werden. Diese Spannungen stehen zwischen einem Leitungsnetz des ICs und dem GND der Flachbaugruppe an. Das GND der Flachbaugruppe ist meist eine durchgehende Kupferlage. Das Elektrische Feld bildet sich zwischen Leitungsnetz und Kupferlage der Flachbaugruppe aus (Bild 6).

Die Feldlinien, die zur Flachbaugruppe zurückkehren, erzeugen keine Störaussendung. Die Feldlinien, die die Baugruppe verlassen und in die Umgebung vordringen, können Störaussendung erregen. Sie werden Erregerfeldlinien genannt. Diese Erregerfeldlinien übertragen kapazitiv einen Erregerstrom in die Baugruppenumgebung. Wenn der Erregerstrom in benachbarte Metallteile einfließt, kann er stehende Wellen auf dem benachbarten Metallteil erzeugen. Diese stehenden Wellen führen zur Abstrahlung.

Die Kapazität, die den Erregerstrom auskoppelt, liegt bei ca. 5 fF (Femtofarad). Je nach Abstand (h= 3 mm oder 10 mm) wird von der Elektrode mehr oder weniger Erregerstrom aus dem elektrischen Feld (Bild 6) aufgefangen.

E-Feldsonden müssen so gebaut sein, dass sie den Erregerstrom auffangen (Bild 9). Für diesen Zweck besitzen die E-Feldsonden eine Elektrode (Bild 8). Die E-Feldsonde wird mit der Elektrode im definierten Abstand h über dem IC angeordnet.

Lokal können elektrische HF-Felder des ICs mit der E-Feldsonde RF-E 02, RF-E 05 oder RF-E 10 der Langer EMV-Technik GmbH gemessen werden.

1.4 Ableitung der Messanordnung

Die Messanordnung abgeleitet aus Bild 5 und Bild 8 ist in der Prüfeinrichtung (Bild 9) enthalten. Sie besteht aus dem Test-IC, der Testleiterkarte, dem Groundadapter, dem Distanzring und dem Boden der Feldsonde mit Elektrode bzw. Stromleiter. Diese Teile bilden einen geschirmten Raum, der als Feldkammer bezeichnet wird.

Die Prüfeinrichtung besteht aus einer Feldsonde des Probe Sets HF-Feldmessung an IC, der IC-Testumgebung ICE1 und Messgeräten.

Der Test-IC befindet sich auf der Testleiterkarte. Die Feldsonde wird mit Hilfe eines Distanzrings im definierten Abstand h = 10 mm oder 3 mm über dem Test-IC angeordnet. Das Messsignal wird über ein Messkabel dem Spektrumanalysator zugeführt. Das Messsignal wird mit Hilfe eines Korrekturfaktors in elektrischen Erregerstrom oder in magnetischen Fluss umgerechnet.

Die Messung und Umrechnung wird mit der Software ChipScan-ESA ausgeführt. Der Messaufbau zur Messung von HF- Magnetfeldern unterscheidet sich hierbei nur durch die verwendete Feldsonde.

Schreibweisen:

• u, u(t), E(t): Zeitverläufe
• U, E: Effektivwerte
• U_MAX, Û: Scheitelwerte
• dB / dt: Ḃ
• U(ω), E(ω): Effektivwerte, Frequenzbereich

2 Magnetfeldmessung mit Serie P1600

2.1 Aufbau der Magnetfeldsonde P1601, P1602

Bild 11 Aufbau P1602 mit 3 cm langen Stromleiter und aufgestecktem Feldkammereinsatz FKE 30

An der Oberseite besitzt die Feldsonde den Messausgang (N-Connector). Der Messausgang ist im Inneren der Feldsonde mit dem Stromleiter verbunden (Bild 10). Der Stromleiter befindet sich am Boden der Feldsonde. Dort ist das Ende des Stromleiters mit dem GND der Feldsonde verbunden und erzeugt damit einen Kurzschluss im HF-Stromweg. Das Magnetfeld des ICs tritt in die Unterseite der Feldsonde ein und umwirbelt den Stromleiter.

Das vom IC erzeugte Magnetfeld Bild 12 wird von der Feldkammer umschlossen. Die Feldkammer wird aus der Unterseite der Feldsonde, dem Distanzring und der Groundplane gebildet. Der Test-IC befindet sich in der Feldkammer. Er ist auf der Testleiterkarte aufgebracht (Bild 9). Die Testleiterkarte ist in den entsprechenden Groundadapter z.B. GNDA 02 eingesetzt. Der Groundadapter passt in die dafür vorgesehene Aussparung der Groundplane GND 25 (Groundadapter GNDA 02 und GND 25 sind in der IC-Testumgebung ICE1 enthalten. Die Testleiterkarte ist in der "Anleitung IC-Test" beschrieben, mail@langer-emv.de). Anstelle des Groundadapters kann ein (100 x 100) mm TEM-Cell-print eingesetzt werden.

Die Feldsonde P1601 (Bild 10) besitzt einen 4 cm langen Stromleiter und ist für Messungen bis 1 GHz vorgesehen.

Die Feldsonde P1602 (Bild 11) besitzt einen 3 cm langen Stromleiter und den Feldkammereinsatz FKE 30. Sie ist für Messungen bis 3 GHz vorgesehen. Der Feldkammereinsatz wird über Führungsstifte und Magnete mit der Feldsonde verbunden.

2.2 Funktion der Magnetfeldsonde P1601, P1602

Im Test-IC fließen hochfrequente Betriebsströme (Störstrom Bild 12). Z.B. können in der Vdd- Vss-Versorgungsschleife derartige Ströme fließen. Der im IC fließende Strom (I_ic(ω)) erzeugt das Magnetfeld H2 (Bild 3). Das Feld H2 breitet sich im Raum oberhalb des ICs aus. Es kann in einem benachbarten Metallteil die Störspannung U_ind(ω) induzieren (Bild 4). Der Stromleiter der Feldsonde (Bild 12) bildet das benachbarte Metallteil nach. Der Abstand des Stromleiters (Metallteil) wird vom Distanzring festgelegt. Er kann 10 mm oder 3 mm betragen. Das Feld H2 treibt den magnetischen Fluss an. Der Flussanteil Φ(ω) der oberhalb vom Stromleiter fließt, induziert im Stromleiter eine Spannung U_ind(ω) (Bild 5). Diese Spannung würde der IC in gleicher Größe in ein identisch angeordnetes Metallteil induzieren. Die induzierte Spannung wird über den Messausgang, einen N-SMA Adapter und dem Kabel SMA-SMA 1 m an den AV Eingang eines Spektrumanalysators geführt (Bild 9). Der Spektrumanalysator misst frequenzabhängig die induzierte Spannung U_ind(ω).

2.2.1 Ersatzschaltbild und Wirkzusammenhang der Magnetfeldauskopplung

Der Flussanteil Φ(ω) Bild 5 und Bild 12 umfasst den Stromleiter der Feldsonde P1601 bzw. P1602 und induziert die Spannung U_ind(ω). Die Spannung U_ind(ω) steht als U_AV(ω) am Innenwiderstand 50 Ohm des Spektrumanalysators an und wird dort gemessen.

Die wirksamsten Stromschleifen des ICs führen im Allgemeinen über die IC-Pins (Bild 13). Besonders hohe Ströme fließen in den Versorgungssystemen Vdd/Vss. Der Störstrom schließt sich z.B. außerhalb des ICs über das Vss-Pin , und dem Vdd-Pin der Testleiterkarte. Er fließt in einer geschlossenen Schleife.

Die IC-Stromschleife erzeugt in Verbindung mit dem Strom I_IC(ω) den magnetischen Fluss Φ(ω). Es wird nur der Flussanteil Φ(ω) betrachtet, der den Stromleiter der Feldsonde P1601 bzw. P1602 umfasst.

Gl 1

In logarithmischer Schreibweise:

Gl 2

gekürzte logarithmische Schreibweise durch Weglassen von 20 Log vor den elektrischen Größen:

Gl 3

L_h ist die Koppelinduktivität zwischen IC-Stromschleife und Stromleiter der Feldsonde P1601 bzw. P1602. Die Koppelinduktivität L_h lässt sich berechnen aus:

Gl 4

Dabei ist L_h’ der Koppelinduktivitätsbelag der IC-Stromschleife zum Stromleiter der Feldsonde. Die IC-Stromschleife steht dabei senkrecht zum GND der Testleiterkarte (Bild 5). A_IC ist der Querschnitt der IC-Stromschleife. Der Induktivitätsbelag L_h’ ist für h 10 mm und 3 mm in Tabelle 2 angegeben. Beispiel: Eine (1,5 x 7,8) mm IC-Stromschleife besitzt einen Querschnitt AIC von 1,5 mm x 7,8 mm = 11,7 mm². Bei Distanzringhöhe von 10 mm ist L_h’ aus Tabelle 2 gleich 12,4 pH / mm². Aus Gl 4 folgt:

Gl 5

Diese Vorgehensweise L_h zu ermitteln, geht von idealen Voraussetzungen aus und berücksichtigt Nebeneffekte nicht. Der tatsächliche Wert kann abweichen siehe Gl 24 L_h = 0,108 nH. Im Weiteren wird L_h = 0,108 nH verwendet.

Wenn der Strom I_IC(ω) frequenzkonstant ist und 0,75 mA (57,5 dBµA) beträgt, ergibt sich nach Gl 1 mit der Induktivität L_h = 0,108 nH eine magnetische Flussverkopplung zum Stromleiter der Feldsonde P1601 bzw. P1602 von Φ(ω) = 81 fVs (-141,8 dB µVs). Der Fluss Φ(ω) ist dann wie der Strom ebenfalls konstant.

Die Wirkungskette lässt sich im Ersatzschaltbild Bild 13 weiterverfolgen. Aus dem zugehörig verketteten Fluss Φ(ω) folgt nach dem Induktionsgesetz die induzierte Spannung U_ind(ω) im Stromleiter der Sonde.

Zeitbereich:

Gl 6

Frequenzbereich:

Gl 7

Frequenzbereich logarithmisch:

Gl 8

Die Schreibweise kann durch Vereinbarung gekürzt werden. Das geschieht durch Weglassen des 20 Log vor den elektrischen Größen.

Gl 9

Die induzierte Spannung steigt proportional zur Frequenz ω. Φ(ω) ist der Proportionalitätsfaktor. Wenn im Spezialfall Φ(ω) frequenzkonstant ist, ist U_ind(ω) im Frequenzbereich eine linear ansteigende Funktion bzw. im logarithmischen eine logarithmisch ansteigende Funktion.

Aus dem Ersatzschaltbild Bild 13 lässt sich ablesen, dass die Spannung am Eingang des Spektumanalysators gleich der induzierten Spannung U_ind(ω) ist (Gl 10). Der Spektrumanalysator zeichnet die Spannung U_AV(ω) auf.

Gl 10

I_IC(ω)s, L_h, Φ(ω), und U_ind(ω) sind EMV-Größen des ICs.

2.2.2 Umwandlung des Messwertes U_AV des Spektrumanalysators in EMV- Größen

An R_AV des Spektrumanalysators (Bild 13) entsteht die Spannung U_AV(ω). Sie wird vom Spektrumanalysator gemessen und dargestellt. Nach Gl 10 ist U_AV(ω) gleich der im Stromleiter der Sonde induzierten Spannung U_ind(ω).

Aus U_AV(ω) lässt sich nach Umstellen von Gl 7 der Flussanteil Φ(ω) berechnen (Gl 11). Φ(ω) ist der Flussanteil der vom IC-Feld H2 (Bild 3 und Bild 4) angetrieben wird und den Stromleiter der Feldsonde P1601 bzw. P1602 umfasst.

Gl 11

Für eine logarithmische Darstellung lässt sich (Gl 11) logarithmieren:

Gl 12

Die Schreibweise kann durch Vereinbarung gekürzt werden, das geschieht durch Weglassen des 20 Log vor den elektrischen Größen.

Gl 13

Im Bild 14 ist die vom Spektrumanalysator gemessene Spannung U_AV und der aus Gl 13 berechnete Fluss Φ(ω) = U_AV(ω) – 20 Log ω dargestellt.

Die Messung erfolgt am Modell einer IC-Stromschleife mit der Feldsonde P1602. Dabei ist der Strom I_IC(ω) = 57 dBµA über die Frequenz konstant. Die Koppelinduktivität zwischen IC-Stromschleife und Stromleiter der Feldsonde P1602 beträgt ca. L_h = 0,108 nH.

Im Ersatzschaltbild Bild 13 entsteht der Flussanteil Φ(ω) aus dem Strom I_IC(ω) in Verbindung mit der Koppelinduktivität L_h (Gl 1). Dabei ist vorausgesetzt, dass R_AV >> ω L_h ist.

Der Flussverlauf Φ(ω) ist konstant, da ein konstanter Strom I_IC(ω) in die IC-Stromschleife eingespeist wird.

Im Leiter der Sonde wird die Spannung U_AV(ω) = U_ind(ω) induziert.

U_AV(ω) ist eine mit der Frequenz ω linear ansteigende Funktion Gl 7 bzw. im Logarithmischen eine logarithmisch ansteigende Funktion (Gl 8, Bild 14).

Es ist zu erkennen, dass der Flussanteil Φ(ω) im Bild 14 geringe Abweichungen vom linearen konstanten Verlauf (-141,8 dBµVs) besitzt. Ebenso besitzt die Spannung U_AV(ω) Welligkeiten. Die idealen Werte von U_AV(ω) (Bild 15) lassen sich aus Gl 1 und Gl 7 und den Werten I_IC(ω) = 57 dBµA konstant und L_h = 0,108 nH berechnen.

2.2.3 Korrekturkurven und Anpassung der Feldsonde P1601 und P1602

Der gemessene Fluss- und Spannungsverlauf Bild 14 ist mit dem berechneten Fluss- und Spannungsverlauf Bild 15 gemeinsam in Bild 16 dargestellt. Die gemessene Kurve besitzt abweichend von der berechneten stehende Wellen. Die stehenden Wellen (2 dB) hängen von der Länge des Messkabels (SMA-SMA 1 m) und der Anpassung der Feldsonde P1602 und der Anpassung des Spektrumanalysators ab. Die Feldsonde P1602 besitzt im Messzweig keinen 50 Ohm Abschlusswiderstand. Die vom Spektrumanalysator kommende 50 Ohm Leitung endet in der Feldsonde P1602 an einem Kurzschluss gegen GND.

Weiterhin entstehen im Zweig, der der Erzeugung des Flussanteils Φ(ω) dient, stehende Wellen durch Fehlanpassung. Diese Fehlanpassung wird von der Verbindung des Trackinggenerators mit der verwendeten Erregerfeldquelle (BPM 02) bewirkt. Die Anteile der Felderzeugung und Messung überlagern sich und sind im Messergebnis ohne zusätzliche Messungen nicht trennbar.

Durch Glättung der Kurve (mathematische Operation„Smooth…“ im ChipScan-ESA, BW 100 MHz) werden die stehenden Wellen auf dem Messergebnis beseitigt. Die verbleibenden Abweichungen entstehen durch parasitäre Effekte in der Feldsonde P1602. Die Abweichungen können mit Hilfe einer Korrekturkurve beseitigt werden.

Aus dieser Abweichung wird die Korrekturkurve K1602 Bild 17 der Sonde P1602 gebildet. Durch Addition der Korrekturkurve auf das Messergebnis (Ausführung in Software ChipScan-ESA) werden die Abweichungen korrigiert Gl 14. Die Korrekturkurve kann aus der gemessenen und geglätteten Kurve gebildet werden. Die Korrekturkurve K1602W enthält die stehenden Wellen. Die Korrekturkurve K1602 wird aus der geglätteten Messkurve gebildet und enthält die stehenden Wellen nicht. Die Korrekturkurve wird in der Software ChipScan-ESA zur Korrektur geladen und automatisch auf das Messergebnis angewendet (Beispiel Bild 25).

Gl 14

Die Korrekturkurve K1602W (mit stehenden Wellen) ist auf den Messplatz Bild 34 zugeschnitten und beinhaltet die zusätzlichen Abhängigkeiten vom Trackinggenerator und der Erregerfeldquelle (BPM 02). Sie sollte nur für diesen Messaufbau verwendet werden. Für allgemeine Anwendungen ist die Korrekturkurve K1602 zu verwenden.

Für die Sonde P1601 sind die gemessenen und berechneten Kurvenverläufe U_ind(ω) und Φ(ω) im Bild 18 dargestellt. Im Bild 19 sind die Korrekturkurven enthalten. Die Korrektur ist nach Gl 15 auszuführen.

Gl 15

Die Sonde P1601 ist für Messungen bis 1 GHz vorgesehen, kann aber bei Verwendung der Korrekturkurven bis 1,5 GHz verwendet werden.

2.2.4 Parameter zur Beschreibung der Magnetfelderregung durch ICs

2.2.4.1 Φ(ω) Flussverkettung des ICs mit einem definierten benachbarten Metallteil

Der Flussanteil Φ(ω) ist die physikalische Größe, die die Erregung der Störabstrahlung proportional zum Strom I_IC(ω) beschreibt. Es besteht keine zusätzliche Abhängigkeit zu ω wie bei der induzierten Spannung U_ind(ω).

Der IC erzeugt den Flussanteil Φ(ω) nach Ersatzschaltbild Bild 13 aus den Strom I_IC(ω)und der Koppelinduktivität L_h zwischen IC-Stromschleife und Stromleiter der Feldsonde P1601 bzw. 1602, Gl 1: Φ(ω) = L_h * I_IC(ω). Dabei beschreibt I_IC(ω) die Quelle im IC, L_h die Kopplung mit der Umgebung und Φ(ω) die Erregung der Aussendung.

Praktisch wird der Fluss Φ(ω) aus der gemessenen induzierten Spannung U_AV(ω) = U_ind(ω) nach Gl 13 berechnet. Die Berechnung kann bei der Messung oder separat danach mit der Funktion „Correction“ der Software ChipScan-ESA erfolgen. Im Bild 20 ist der gemessene Flussverlauf Φ(ω)_gemessen dargestellt. Zu Φ(ω)_gemessen wurde der Korrekturfaktor K1601 in der Software ChipScan-ESA addiert. Damit entsteht der tatsächliche Flussverlauf Φ(ω)_korrigiert.

2.2.4.2 U_ind(ω) induktiv eingekoppelte Spannung in ein definiertes benachbartes Metallteil

Der IC erzeugt den Flussanteil nach Ersatzschaltbild Bild 13 aus den Strom I_IC(ω) und der Koppelinduktivität L_h zwischen IC-Stromschleife und Stromleiter der Feldsonden P1600, Gl 1: Φ(ω) = L_h * I_IC(ω). Der Flussanteil Φ(ω) umfasst den Stromleiter der Feldsonde P1600 und induziert in ihm die Spannung U_ind(ω) (Ersatzschaltbild Bild 13 und Gl 1 bis Gl 9). Die im Stromleiter induzierte Spannung ist ein Maß für die potentielle Erregung der Störaussendung durch den IC.

Praktisch wird die in der P1600 induzierte Spannung U_ind(ω) mit einem Spektrumanalysator gemessen. U_ind(ω) ist von ω abhängig. U_ind(ω) steigt linear mit ω. Je höher die Frequenz ω ist, umso mehr Auskopplung und Erregung der Störaussendung entsteht.

Die gemessene Kurve wird mit der Korrekturkurve K1600 korrigiert Bild 21.

2.3 Messung mit dem Spektrumanalysator

2.3.1 Aufbau des Messplatzes und Messung mit der Software ChipScan-ESA

Die Messanordnung zur Messung der magnetischen Kopplung des Test-ICs ist in Bild 22 dargestellt. Der Test-IC ist auf der Testleiterkarte bestückt. Die Testleiterkarte wird in den entsprechenden Groundadapter z.B. GNDA 02 eingesetzt. Die Signal- und Versorgungsverbindungen zum Test-IC werden über einen Steckverbinder zur Testleiterkarte hergestellt.

Die Feldsonde der Serie P1600 ist mit Distanzring zentral über dem Test-IC anzuordnen. Für die Messung ist die Definition der Orientierung der Feldsonde zum Test-IC erforderlich. Es kann z.B. die Markierung Punktstrom (Bild 10) in Richtung Pin 1-Seite des Test-ICs auf die 0° Markierung des Distanzrings gedreht werden (Bezugswinkel 0°). Die Messung kann in verschiedenen Orientierungswinkeln durchgeführt werden. Mit dem IC-Testautomat ICT1 können Abfolgen von Winkelorientierungen automatisch durchfahren werden.

Der AV-Eingang des Spektrumanalysators ist mit dem N-Connector Ausgang der Probes der Serie P1600 über den N / SMA-Adapter N-SMA und dem HF-Kabel SMA-SMA 1m verbunden.

Die Messungen der Spektren lassen sich vorteilhaft mit der Software ChipScan-ESA ausführen und dokumentieren (siehe auch: Bedienungsanleitung ChipScan-ESA).

Der Spektrumanalysator wird über „Devices/ Devices Manager/ Detected Devices“ automatisch über die verwendete Schnittstelle gesucht und mit dem PC verbunden (Bild 23).

Im „Spectrum Analyzer Manager“ sind die Haupteinstellungen des Spektrumanalysators vorzunehmen (Bild 24). Zur Korrektur des Frequenzgangs des Messergebnisses U_AV(ω) der Feldsonde P1601 oder P1602 sind die Korrekturkurve K1601 oder K1602 zu verwenden. Die Umrechnung von U_AV(ω) auf Φ(ω) (Gl 11 bis Gl 13) kann automatisch im „Spectrum Analyzer Manager“unter „Correction“ erfolgen. Dafür ist die Korrekturkurve (- 20 Log ω) zu verwenden.

Die Korrekturkurve (- 20 Log ω) ist in der Liste „Corrections“ des „Trace Managers“ vorhanden. Zur Auswahl für die Korrektur wird im „Spectrum Analyzer Manager“ unter „Correction“ der Button „Select“ angewählt (Mauszeiger ➀ Bild 25).

Es öffnet sich das Fenster „Corrections Selector“ Bild 25. Die Korrekturkurve -20 Log ω wird mit dem Mauszeiger ➁ aktiv geschaltet. Durch betätigen der „nach rechts“ Taste ➂ wird die Korrekturkurve in das Verzeichnis „Applied Corrections“ geholt. Weitere Korrekturfaktoren und Korrekturkurven (Bild 26) wie z.B. K1601 oder K1602 können auf gleichem Weg dazu geladen werden.

Im „Spectrum Analyzer Manager“ wird im Feld „Correction“ die Box „Enabled“ mit dem Mauszeiger ➀ (Bild 27) aktiviert. Wenn die Korrektur aktiv ist, blinkt das Feld ➁ (Bild 27). Mit „Take“ oder „Measure“ Mauszeiger ➂ (Bild 27) wird die aktuelle Messkurve ➃ Φ(ω) aus dem Spektrumanalysator in den PC übertragen. Dabei wurde die Berechnung Gl 13: Φ(ω) = U_AV(ω) - 20 Log ω automatisch ausgeführt. In der Liste „Traces“ des „Trace Managers“ wird die Kurve Φ(ω) am unteren Ende der Liste eingetragen. Ein Messprotokoll kann im Freitextfeld unter „Comment“ geführt werden. Wenn nur U_AV(ω) gemessen werden soll, ist das Häkchen aus der Box „Enabled“ zu entfernen, die Blinkanzeige ➁ verlischt.

Unter „Annotation“ wird die Kurvennummer „Curve“ automatisch weitergezählt (Curve 179) unter „Comment“ kann im entsprechenden Freitextfeld das Messprotokoll geführt werden.

Wenn die Korrekturkurve neu gebildet werden soll, kann das nach Anleitung Abschnitt 2.2.3 erfolgen

2.3.2 Magnetfeldmessung am IC

Der Messaufbau ist im Bild 22 dargestellt. Das Bedienen der Software ChipScan-ESA (Einstellen der Korrekturkurven) ist in 2.3.1 erläutert.

Im Bild 28 sind die Ergebnisse von Messungen an einem Test-IC dargestellt. Es wird die Spannung U_AV(ω) gemessen und bei der Messung auf den Fluss Φ(ω) umgerechnet. Der Fluss wird mit der Korrekturkurve K1600 der jeweiligen Probe korrigiert.

2.3.3 Ermittlung der Worst Case Störabstrahlung des ICs

Seine höchste Störabstrahlung kann der IC durch Einkopplung in ein benachbartes stabförmiges Metallteil (Bild 4) erreichen. Das Metallteil kann ein Kabel sein, das oberhalb des ICs geführt wird. Der IC induziert mit seinem Fluss Φ(ω) im Metallteil die Spannung U_ind(ω). Wenn das Metallteil über dem IC in der gleichen Höhe h = 10 mm wie die Feldsonde P1601 bzw. P1602 angeordnet ist, entspricht die induzierte Spannung im Metallteil der mit der Feldsonde P1601 bzw. P1602 gemessenen Spannung. Für abweichend geometrische Anordnungen lässt sich die induzierte Spannung U_ind(ω) näherungsweise umrechnen.

Mit Gl 16 kann dann der Worst Case Wert der elektrischen Feldstärke E_Ant [dBμV/m] der abgestrahlten elektromagnetischen Welle für 10 Meter Entfernung aus der induzierten Spannung U_ind(ω) errechnet werden. Dabei ist GA(f) (siehe „Steckverbinder Koppelinduktivität“, Gunter Langer, Firmenschrift, Dez. 2007) der Worst Case Gerätefaktor für die Erregung der Störaussendung durch induktive Kopplung. Für alle Frequenzen hat das Metallteil ideale Voraussetzungen zur Störabstrahlung. Seine Länge entspricht fiktiv immer einer viertel Wellenlänge der Frequenz der induzierten Spannung.

Gl 16

Im Bild 29 ist der messtechnisch ermittelte Frequenzgang von GA(f) dargestellt.

Die Berechnung von E_Ant (ω) [dBμV/m] kann mit der Software ChipScan-ESA ausgeführt werden. In der Liste „Corrections“ wird die Funktion GA(f) mit dem Mauszeiger ➀ markiert. Mit der „nach links“ Taste wird die Funktion GA(f) in die Liste „Traces“ kopiert (Bild 30).

In der Liste „Traces“ erfolgt die Berechnung E_Ant(ω). Es wird die curve U_ind (Curve 94, Bild 31) und die Funktion GA(f) mit dem Mauszeiger ➀ markiert. Die Mathematikoperation „Add…“ wird aufgerufen, Mauszeiger ➁.

„Sum plots“ aktiviert ➂. Mit OK wird die Berechnung ausgeführt ➃. Das Ergebnis ist Curve 95 E_Ant (ω) (Bild 32).

Der IC erzeugt im Worst Case Fall bereits bei 10 mm Koppelabstand zum Metallteil auf 10 m Entfernung eine elektromagnetische Welle mit einer elektrischen Feldstärke E_Ant (ω) von 35,5 dBµV/m. Praktisch sind geringere Koppelabstände möglich, so das die Abstrahlung noch höher sein kann. Der IC kann in der Praxis Störungen erzeugen. Es gibt ICs mit wesentlich niedrigerem aber auch mit wesentlich höherem Erregerfeld.

2.3.4 Erzeugung des Erregerflusses Φ(ω) mit dem Ḃ-Feldmesser BPM 02 als Testquelle

Zur Erzeugung des Erregerflusses Φ(ω) wird der Ḃ-Feldmesser BPM 02 (Bild 33) als Feldquelle verwendet. Er wird zur B-Felderzeugung in umgekehrter Wirkungsrichtung betrieben d.h. er wird mit der Spannung UTG eines Trackinggenerators über seinen SMB-Signalausgang gespeist. Dadurch erzeugt er an der Messschleife den Erregerfluss Φ(ω) bzw. das magnetische Feld B wie es ein IC erzeugt. Die Messschleife des BPM 02 wirkt als Induktionsschleife, die der Leiter des ICs bildet. Die Messschleife des BPM 02 besitzt die Abmessungen (7,8 x 1,5) mm.

Der Messaufbau ist im Bild 34 dargestellt. Der Ḃ-Feldmesser BPM 02 wird anstelle des Test-ICs in den Groundadapter eingesetzt. Der Ḃ-Feldmesser BPM 02 ist passfähig für den Groundadapter GNDA 02. Für die Messung ist er in die Groundplane GND 25 einzusetzen (Groundadapter GNDA 02 und Groundplane GND 25 sind in der IC-Testumgebung ICE1 enthalten. Die Testleiterkarte ist in der „Anleitung IC-Test“ beschrieben, mail@langer-emv.de).

Der SMB-Anschluss des Ḃ-Feldmessers BPM 02 wird mit dem 50 Ohm SMA-SMB Messkabel mit dem Trackinggeneratorausgang des Spektrumanalysators verbunden. Der Messausgang ist auf 50 Ohm angepasst.

Die Trackinggeneratorspannung UTG des Spektrumanalysators (Bild 35) treibt den Strom I_IC durch die Schleife des BPM 02. Der BPM 02 besitzt in seinem Inneren einen Stromteiler (im Ersatzschaltbild vereinfacht dargestellt), der den Strom in der Schleife nach Gl 17 einstellt.

Gl 17

Bei einer Distanzringhöhe von 10 mm besitzt die P1600 einen Koppelinduktivitätsbelag von 12,4 pH / mm² (Tabelle 2). Der BPM 02 hat eine Schleifenfläche von 7,8 mm x 1,5 mm = 11,7 mm². Daraus ergibt sich nach Gl 5 näherungsweise eine Koppelinduktivität L_h von 0,145 nH. Die tatsächliche Induktivität liegt bei etwa 0,108 nH (Bild 46). Vorerst wird mit der berechneten Induktivität von L_h = 0,145 nH weitergearbeitet, um die Differenz (Bild 46) zur tatsächlichen Induktivität zu ermitteln

Aus Gl 3 und Gl 17 entsteht Gl 18:

Gl 18

Die Feldsonde P1601 bzw. P1602 befindet sich über der Groundplane GND 25 (Bild 34). Mit dem Distanzring wird der Abstand zur Groundplane eingestellt. Für die Messungen wird vorzugsweise der Distanzring h = 10 mm verwendet. Damit befindet sich der Leiter der Feldsonde P1601 bzw. P1602 im definierten Abstand zur Feldquelle BPM 02.

Der zur Messung verwendete Spektrumanalysator wird nach Bild 34 verschaltet.

Vor der Messung ist der Spektrumanalysator zu normalisieren (U_TG 107 dBµV, Externer Attenuator 30 dB). Der BPM 02 wird mit 107 dBµV vom Trackinggenerator des Spektrumanalysators gespeist. Als Messergebnis erhält man die Spannung U_AV(ω) Bild 14, die am Eingangswiderstand R_AV des Spektrumanalysators entsteht (Aufbau Bild 34, Ersatzschaltbild Bild 35). Der Frequenzgang der Erregerfeldquelle BPM 02 kann durch die Korrekturkurve KBPM 02R berücksichtigt werden.

Die Steuerung des Spektrumanalysators, Berechnungen und die Dokumentation der Messung wird mit der Software ChipScan-ESA ausgeführt Bild 36.

Die Umrechnung von U_AV(ω) in das Erregerfeld Φ(ω) erfolgt mit Gl 13: Φ(ω) = U_AV(ω) - 20 Log ω, Ergebnis: Bild 36.

Praktisch kann das über zwei Wege erfolgen:

1. Anwendung der Korrekturkurve - 20 Log ω während der Messung
2. Anwendung der Mathematikoperation „Add…“ - 20 Log ω nach der Messung

Die Umrechnung wird in der Software ChipScan-ESA ausgeführt. Die Korrekturkurve - 20 Log ω ist in der Liste „Corrections“ im „Trace Manager“ der Software ChipScan ESA vorhanden.

2.3.4.1 Anwendung der Korrekturkurve (- 20 Log ω) bei der Messung

Die Korrekturkurve (- 20 Log ω) ist in der Liste „Corrections“ des „Trace Managers“ vorhanden. Zur Auswahl für die Korrektur wird im Spektrumanalysator Manager unter „Correction“ der Button „Select“ angewählt (Mauszeiger ➀ Bild 37).

Es öffnet sich das Fenster „Corrections Selector“ (Bild 37). Die Korrekturkurve -20 Log ω wird mit dem Mauszeiger ➁ aktiv geschaltet. Durch Betätigen der nach rechts Taste ➂ wird die Korrekturkurve in das Verzeichnis „Applied Corrections“ geholt.

Im „Spectrum Analyser Manager“ wird im Feld „Correction“ die Box „Enabled“ mit dem Mauszeiger ➀ Bild 38 aktiviert. Wenn die Korrektur aktiv ist, blinkt das Feld ➁ (Bild 38). Mit „Take“ oder „Measure“ Mauszeiger ➂ Bild 38 wird die aktuelle Messkurve ➃ Φ(ω) aus dem Spektrumanalysator in den PC übertragen. Dabei wurde die Berechnung Gl 13: Φ(ω) = U_AV(ω) - 20 Log ω ausgeführt. In der Liste „Trace“ des „Trace Managers“ wird die Kurve Φ(ω) am unteren Ende der Liste eingetragen. Ein Messprotokoll kann unter „Comment“ im entsprechenden Freitextfeld geführt werden. Wenn nur U_AV(ω) gemessen werden soll, ist das Häkchen aus der Box „Enabled“ zu entfernen, die Blinkanzeige ➁ verlischt.

Unter „Annotation“ wird die Kurvennummer automatisch weitergezählt (Curve 179).

2.3.4.2 Anwendung der Mathematikoperation (- 20 Log ω) nach der Messung

Für die Berechnung Gl 13: Φ(ω) = U_AV(ω) - 20 Log ω wird die Mathematikoperation „Add…“ verwendet. Vorerst ist jedoch die Funktion - 20 Log ω aus dem Trace Manager Liste „Correction“ in die Liste „Traces“ zu kopieren.

Die Funktion (- 20 Log ω) wird mit dem Mauszeiger in der Liste „Corrections“ aktiviert. Mit der Pfeil nach links Taste (Bild 39 Mauszeiger) wird die Funktion in die Liste „Traces“ kopiert Bild 40.

Im Trace Manager Liste „Traces“ Bild 41 werden die Kurve „Curve 27“ (U_AV) und die Kurve „… - 20 Log Omega“ mit dem Mauszeiger markiert. Die Mathematikoperation Addition „Add…“ wird geöffnet und „Sum up all Plots“ aktiviert (Bild 41 Mauszeiger). Mit OK wird die Addition U_AV + (- 20 Log ω) ausgeführt. Das Rechenergebnis Curve 181 reiht sich am unteren Ende der Liste Traces an.

2.3.5 Bilden des Korrekturfaktors K1600

Für die Korrektur der Abweichung des Frequenzganges der Sonden der Serie P1600 ist der ideale Verlauf der induzierten Spannung U_ind(ω) die Basis für die Bildung der Korrekturkurve. Die Korrekturkurve wird aus der Differenz zwischen berechneter induzierter Spannung (U_ind(ω))_berechnet und gemessener (U_ind(ω))_gemessen = U_AV gebildet.

Gl 19

Berechnung von U_ind(ω):

Gl 3 (Φ(ω) = 20 Log L_h + I_IC(ω)) in Gl 9 (U_ind(ω) = 20 Log ω + Φ (ω)) eingesetzt ergibt:

Gl 20

Als erstes werden die Werte für 20 Log ω und 20 Log L_h benötigt. Die Induktivität L_h beträgt bei einer Distanzringhöhe h = 10 mm 12,4 pH, Siehe Gl 5.

Im Trace Manager ist in der Liste „Corrections“ die Funktion 20 Log ω vorhanden.

Die Funktion 20 Log ω wird mit Mausklick aktiviert und durch Betätigen des Button „Pfeil nach links“ von der Liste „Corrections“ nach links (Mauszeiger) in die „Traces“ Liste kopiert Bild 43. In der „Trace Liste“ wird mit der Mathematikfunktion „Add…“ die Berechnung 20 Log ω + 20 Log L_h ausgeführt. Zunächst wird die oben (Gl 5) ermittelte Induktivität L_h von 0,145 nH logarithmiert.

Mit einem Taschenrechner wird 20 Log 0,145 EXP-9 gebildet:

Gl 21

Als nächstes wird mit ChipScan-ESA der Strom I_IC gebildet. Das erfolgt nach Gl 17. Dabei ist die Trackinggeneratorspannung des Spektrumanalysators U_TG 107 dBµV:

Gl 22

Jetzt können alle Werte in Gl 20 eingesetzt und mit der Mathematikfunktion „Add…“ der Software ChipScan-ESA addiert werden:

Gl 23

Die Kurve „20 Log Omega“ wird per Mausklick aktiviert. Unter „Add…“ wird als Erstes „-196,8“ als zu addierende Konstante eingetragen Bild 44. Mit „OK“ erfolgt die Addition. Dann wird +57,5 dB in gleicher Weise addiert. Das Ergebnis U_ind(ω) erscheint am unteren Ende der Liste „Traces“ und als Kurve in der Anzeige Bild 45.

U_ind(ω) von P1602 gemessen liegt als U_AV(ω) „Curve 27“ (Bild 46) vor. Ein Vergleich mit der berechneten Kurve U_ind (ω)_berechnet zeigt eine konstante Abweichung von 2,5 dB. Die der Rechnung zugrunde gelegte Induktivität L_h läst sich mit (Gl 5) L_h = L_h’ * A_IC = 12,4 pH / mm² * 11,7 mm² = 0,145 nH nur näherungsweise bestimmen. Deshalb die Abweichung. Das Ergebnis wird mit -2.5 dB korrigiert. Das bedeutet, dass die tatsächliche Induktivität 20 Log L_h = 20 Log L_h = -196,8 -2,5 dB ist. Durch entlogarithmieren erhält man:

Gl 24

Jetzt kann der Korrekturfaktor K1602 aus den Kurven Bild 47 nach Gl 19 berechnet werden. U_ind (ω) von P1602 gemessen, liegt als U_AV(ω) „Curve 27“ vor. U_ind(ω) berechnet „Curve 196“ und U_AV(ω) „Curve 27“ werden im „Trace Manager“ in der Liste „Traces“ mit dem Mauszeiger aktiv geschaltet. Unter „Subtract…“ wird „Curve 196 - Curve 27“ aktiviert. Mit „OK“ erscheint die Korrekturkurve K1602 am unteren Ende der Liste als Curve 197 (Bild 51).

Für Allgemeine Anwendung muss die Welligkeit (stehende Wellen) auf der Korrekturkurve beseitigt werden. Das erfolgt mit der Mathematikfunktion „Smooth…“, Bild 50. Es entsteht die Korrekturkurve K1602 für allgemeine Anwendung (Bild 51).

Die Genauigkeit der Korrekturkurve K1602 entspricht höchstens der Messgenauigkeit des verwendeten Spektrumanalysators.

Die Korrekturkurve wird für die Feldsonde P1601 analog gebildet. Aus dem Frequenzgang der Feldsonde P1601 Bild 54 ist zu erkennen, dass die Feldsonde bis 1,5 GHz verwendbar ist. Im Bild 52 ist die Korrekturkurve bis 1 GHz dargestellt.

2.3.6 Frequenzgang der HF-Magnetfeldquelle

Im Bild 53 ist der Frequenzgang der Feldsonde P1602 dargestellt. Er wurde durch Invertieren der Korrekturkurve gebildet (Multiplikation mit -1, Mathematikoperation „Multiply…“).

Im Bild 54 ist der Frequenzgang der Feldsonde P1601 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Sonde bis 1,5 GHz verwendbar ist.

2.3.7 E-Feldunterdrückung der HF-Magnetfeldsonde P1600

ICs können elektrisches Störfeld E(ω) abgeben. Das Feld erzeugt einen kapazitiven Störstrom I_C(ω), der in den Stromleiter der Feldsonde P1600 eintritt. Der Strom IC(ω) erzeugt am Stromleiter die Fehlerspannung U_AV(ω). Im Bild 55 ist das Verhältnis U_AV(ω) / I_C(ω) dargestellt. Aus ihm lässt sich ermitteln wie viel Strom I_C(ω) [dBµA] Fehlerspannung U_AV(ω) [dBµV] erzeugt.

Mit Q_IC(ω) = + I_C(ω) - 20 Log ω, Gl 25 lässt sich der kapazitive Strom in die Ladung Q(ω) wandeln. Damit lässt sich die E-Feldunterdrückung mit U_AV(ω) / Q_C(ω) darstellen Bild 56.

3 E-Feldmessung mit P1702

3.1 Aufbau der E-Feldsonde P1702

Die Feldsonde besitzt am Boden eine Elektrode (Bild 57) zur Aufnahme des elektrischen Feldes des Test-ICs. Das elektrische Feld tritt an der Unterseite der Feldsonde in die Elektrode ein Bild 58. Das elektrische Feld koppelt kapazitiv den Strom I_P(ω) in die Elektrode. Der Strom I_P(ω) wird im Inneren der Sonde über eine 50 Ohm HF-Leitung zum N-Connector an die Oberseite der Feldsonde geführt. Dort wird das HF-Kabel SMA-SMA 1m über einen N/SMA Adapter (N-SMA) angeschlossen. Das HF-Kabel führt zum AV-Eingang des Spektrumanalysators.

Das vom Test-IC erzeugte elektrische Feld wird von der Feldkammer umschlossen. Die Feldkammer besteht aus der Unterseite der Feldquelle, dem Distanzring, dem Groundadapter, der Testleiterkarte und der Groundplane GND 25. Der Test-IC befindet sich in der Feldkammer. Er ist auf der Testleiterkarte aufgebracht (Bild 9). Die Testleiterkarte ist in den Groundadapter eingelassen. Der Groundadapter passt in die dafür vorgesehene Aussparung der Groundplane GND 25 (Groundadapter GNDA 02 und GND 25 sind in der IC-Testumgebung ICE1 enthalten. Die Testleiterkarte ist in der "Anleitung IC-Test" beschrieben, mail@langer-emv.de).

Anstelle des Groundadapters kann ein (100 x 100) mm TEM-Cell-print eingesetzt werden (siehe Kapitel 2).

Die Feldsonde P1702 besitzt keinen Abschluss und arbeitet im Leerlauf.

Die Feldsonde P1702 besitzt einen Anschluss (Bild 58):

• 1 x N-Connector (HF-Ausgang) für den Anschluss an einen Spektrumanalysator

3.2 Funktion der E-Feldsonde P1702

Funktionsbedingt wirken im IC periodische hochfrequente Schaltvorgänge. Diese Schaltvorgänge erzeugen HF-Spannungen die an Leitungsnetzen des ICs gegen Masse anstehen. Die Leiter des Leitungsnetzes wirken wie Elektroden an denen die HF-Spannung elektrische Felder erzeugt (Bild 59). Diese Leitungsnetze können mit weiteren metallischen Flächen verbunden sein wie Bondinsel, Bonddraht und Pins. Die HF Spannung erzeugt an den Flächen in Summe größere elektrische Felder. Der größere Teil der elektrischen Feldlinien kehrt zum GND des ICs zurück und besitzt keine erregende Wirkung. Die Erregerfeldlinien (Bild 59) verlassen den Nahbereich des ICs und können Störaussendung erzeugen. Das geschieht, wenn sie in benachbarte metallische Konstruktionsteile einkoppeln. Die Konstruktionsteile werden vom kapazitiv übertragenen Strom I_P(ω) erregt und senden Störungen aus. Aufgabe der Feldsonde P1702 ist es, die Stärke der Erregung (I_P(ω)), die der IC verursacht, zu messen.

Die Elektrode der Feldsonde P1702 (Bild 58) bildet ein metallisches Konstruktionsteil in h = 10 mm bzw. 3 mm Abstand nach. Der von der Elektrode aufgefangene Erregerstrom wird über den Messausgang (N-Connector) der Feldsonde an einen Spektrumanalysator geführt. Der Spektrumanalysator misst die Spannung U_AV(ω), die durch den Erregerstrom I_P(ω) am Eingangswiderstand des Spektrumanalysators erzeugt wird (Ersatzschaltbild Bild 60).

3.2.1 Ersatzschaltbild und Wirkzusammenhang der E-Feldauskopplung

Im Bild 60 ist die Ersatzschaltung der Prüfanordnung dargestellt. Der IC besitzt im Inneren eine HF-Spannungsquelle U_IC(ω). Diese treibt über die Impedanz Z_IC ein Pad. Das Pad ergibt die Zusammenfassung der relevanten zusammenhängenden metallischen Flächen des Test-ICs. Das Pad besitzt die Kapazität C₃ zum GND des ICs.

Die Kapazität C₁ ist die Kapazität zwischen dem Pad (relevante zusammenhängende metallische Fläche) des ICs und der Elektrode der Feldsonde P1702. Die Kapazität C₁ ist ein Plattenkondensator (Bild 61). Der Plattenkondensator besteht aus der Padfläche A_Pad (untere Platte) und der Elektrode der Feldsonde (obere Platte). Die Kapazität C₁ liegt im Bereich von fF (Femtofarad) und belastet die IC-Schaltung im Allgemeinen nicht. Von U_Pad(ω) wird der Strom I_P(ω) über C₁, dem HF-Kabel und dem Widerstand R_AV des Spektrumanalysators zu GND getrieben (Bild 60). Der Strom I_P(ω) ist im Wesentlichen nur von der Kapazität C₁ abhängig, da Z_ic und R_AV bedeutend kleiner als 1/(ω C₁) sind.

Die Spannung U_Pad(ω) ist dann:

Gl 26

Der Stromverlauf I_P(ω) folgt im Zeitbereich der Gleichung

Gl 27

Wenn i_P(t) in harmonische Schwingung zerlegt wird, entsteht für den Frequenzbereich die Schreibweise:

Gl 28

In logarithmischer Schreibweise:

Gl 29

gekürzte logarithmische Schreibweise durch weglassen von 20 Log vor den elektrischen Größen:

Gl 30

C₁ ist die Koppelkapazität zwischen Pad und Elektrode der Feldsonde P1702. Die Koppelkapazität C₁ lässt sich berechnen aus:

Gl 31

Dabei ist C₁^’ der Koppelkapazitätsbelag des IC-Pads zur Elektrode der Feldsonde (Bild 5). A_Pad ist die Fläche des Pads. Der Kapazitätsbelag C₁^’ ist für h = 10 mm und 3 mm in Tabelle 4 angegeben.

Beispiel: Ein Pad mit einem Durchmesser von 2,1 mm besitzt einen Fläche A_Pad von 3,14 (2,1 mm²/2) = 3,5 mm². Bei Distanzringhöhe von 10 mm ist C₁^’ aus Tabelle 4 gleich 0,88 fF/mm² (ohne Kapazitätsanteil durch Randeffekt). Aus Gl 31 folgt: C₁ = 0,88 fF / mm² * 3,5 mm² = 3,1 fF. In Gl 31 ist der Kapazitätsanteil, der sich am Rand des Plattenkondensators ausbildet, nicht berücksichtigt. Das hat zur Folge, dass die tatsächliche Kapazität mehr als doppelt so hoch sein kann. Die tatsächliche Kapazität liegt inklusive Messfehler bei:

Gl 32

Wenn die Spannung U_IC(ω) frequenzkonstant U_IC(ω) = 107 dBµV beträgt, ergibt sich mit Gl 26: 20 Log C₁ = 20 Log 10,6 fF = -279,5 dBF ein Strom I_P(ω) zur Elektrode der Feldsonde P1702 nach Gl 30 von:

Gl 33

Der Strom I_P(ω) steigt proportional zur Frequenz ω. Wenn im Spezialfall U_IC(ω) frequenzkonstant ist, ist I_P(ω) im Frequenzbereich eine linear ansteigende Funktion bzw. im logarithmischen eine logarithmisch ansteigende Funktion.

Die Wirkungskette lässt sich im Ersatzschaltbild Bild 60 weiterverfolgen. Der Strom I_P(ω) erzeugt am Eingangswiderstand R_AV des Spektrumanalysators die Spannung U_AV(ω).

Gl 34

Der Spektrumanalysator zeichnet die Spannung U_AV(ω) auf.

3.2.2 Umwandlung des Messwertes U_AV des Spektrumanalysators in EMV - Größen

An R_AV des Spektrumanalysators (Bild 60) entsteht die Spannung U_AV(ω). U_AV(ω) wird vom Spektrumanalysator gemessen und dargestellt.

Aus U_AV(ω) lässt sich mit Gl 35 I_P(ω) berechnen (Effektivwerte)

Gl 35

R_AV ist der Eingangswiderstand (50 Ohm) des Spektrumanalysators. Für eine logarithmische Darstellung lässt sich Gl 35 logarithmieren:

Gl 36

Dabei ist:

Gl 37

Eingesetzt in Gl 36:

Gl 38

Im Weiteren soll durch Weglassen des 20 Log vor den elektrischen Größen die Schreibweise vereinfacht werden:

Gl 39

Im Bild 62 ist die vom Spektrumanalysator gemessene Spannung U_AV und der aus Gl 39 berechnete Strom I_P(ω) = U_AV(ω) – 34 dBΩ dargestellt.

Im Ersatzschaltbild Bild 60 entsteht der Strom I_P(t) bzw. I_P(ω) aus der treibenden Spannung U_Pad und C₁. Dabei ist vorausgesetzt das R_AV << 1/(ω C₁) ist.

Der Stromverlauf I_P folgt im Frequenzbereich Gl 28 I_P(ω) = ω C₁ U_IC(ω)

In logarithmischer Schreibweise Gl 30: I_P(ω) = 20 Log ω + 20 Log C₁ + U_IC(ω)

I_P(ω) ist eine mit der Frequenz ω linear ansteigende Funktion Gl 28 bzw. im Logarithmischen eine logarithmisch ansteigende Funktion Gl 30 (Bild 63).

Der Wert von I_P(ω) = 20 Log ω - 172,5 dBµA wurde oben mit Gl 33 berechnet.

3.2.3 Korrekturkurven und Anpassung der Sonde P1702

Der gemessene Stromverlauf in Bild 62 ist mit dem berechneten Stromverlauf in Bild 63 gemeinsam in Bild 64 dargestellt. Der gemessene Verlauf ist mit steigender Frequenz kleiner als der berechnete. Die gemessene Kurve besitzt stehende Wellen. Die stehenden Wellen (2 dB) hängen von der Länge des Messkabels (SMA-SMA 1 m) und der Anpassung der Feldsonde P1702 und der Anpassung des Spektrumanalysators ab.

Die Feldsonde P1702 besitzt im Messzweig keinen 50 Ohm Abschlusswiderstand. Die 50 Ohm Leitung vom Spektrumanalysator endet in der Feldsonde P1702 hochohmig.

Die stehenden Wellen werden in diesem Fall im Wesentlichen vom im Messaufbau befindlichen Tracking-generator erzeugt, der mit dem als Erregerfeldquelle benutzten EPM 02 das Erregerfeld erzeugt.

Durch Glättung der Kurve (mathematische Operation „Smooth…“ im ChipScan-ESA, z. B. BW 100 MHz) werden die stehenden Wellen auf dem Messergebnis beseitigt. Die verbleibenden Abweichungen entstehen durch parasitäre Effekte in der Feldsonde P1702.

Aus dieser Abweichung wird der Korrekturfaktor K1702 (Bild 65) der Feldsonde P1702 gebildet. Durch Addition des Korrekturfaktors (Ausführung in Software ChipScan-ESA) werden die Abweichungen korrigiert. Der Korrekturfaktor kann aus der gemessenen und geglätteten Kurve gebildet werden. Der Korrekturfaktor K1702W enthält stehende Wellen. Der Korrekturfaktor wird in der Software ChipScan-ESA zur Korrektur geladen und automatisch auf das Messergebnis angewendet (Beispiel Bild 66).

Der Korrekturfaktor K1702W ist auf den Messplatz (Bild 74) zugeschnitten und beinhaltet die zusätzliche Abhängigkeit vom Trackinggenerator und der Erregerfeldquelle. Er sollte nur für diesen Messaufbau verwendet werden. Für allgemeine Anwendungen ist der Korrekturfaktor K1702 zu verwenden.

3.2.4 Parameter zur Beschreibung der E-Felderregung durch ICs

3.2.4.1 I_P(ω) kapazitiv ausgekoppelter Erregerstrom des ICs

Der IC erzeugt den Erregerstrom I_P(ω) nach Ersatzschaltbild Bild 60 und Gl 28 bzw. Gl 30:

I_P(ω) = ω C₁ U_Pad(ω)

I_P(ω) = 20 Log ω + 20 Log C₁ + U_IC(ω)

Der Erregerstrom i_P(t) bzw. I_P(ω) ist die physikalische Größe, die Störaussendung über das elektrische Feld des ICs anregt. Der Wirkmechanismus ist die Erzeugung des kapazitiv auskoppelten Erregerstroms I_P. Die Auskopplung entsteht durch die Kapazität C₁ in Verbindung mit der Spannung U_Pad(ω). Weiterhin ist I_P von ω abhängig. I_P steigt linear mit ω. Je höher die Frequenz ω umso mehr Auskopplung umso höher die Erregung.

3.2.4.2 Q_IC(ω) kapazitiv ausgekoppelte Ladungsmenge (Effektivwert)

Q_IC(ω) ist die physikalische Größe, die die Erregung der Störabstrahlung proportional zur Spannung U_Pad(ω) beschreibt.

Gl 40

Gl 41

Gl 41 überführt in den Frequenzbereich:

Gl 42

In gekürzter logarithmischer Schreibweise durch Weglassen von 20 Log vor den elektrischen Größen:

Gl 43

Im Bild 66 ist der gemessene Stromverlauf I_P(ω)_gemessen dargestellt. Zu I_P(ω)_gemessen wurde der Korrekturfaktor K1702 in der Software ChipScan-ESA addiert. Damit entsteht der korrigierte tatsächliche Stromverlauf von I_P. Zum Ermitteln des Effektivwertes der Ladungsmenge Q_IC(ω) wurde vom tatsächlichen Stromverlauf 20 Log ω mit der Software ChipScan-ESA abgezogen (Gl 43).

Q_IC(ω) ist der Effektivwert der Ladungsschwingung, die vom IC au sgeht. Die Ladung pro Halbwelle ist der Mittelwert pro Halbwelle. Er lässt sich aus dem Effektivwert bzw. dem Scheitelwert bilden:

Mittelwert = 2/Π * Scheitelwert = 2/ Π * √2 *Effektivwert.

Der Effektivwert der Ladung Q_IC(ω) ist wie die Spannung U_Pad(ω) frequenzkonstant (Gl 40). Mit Q_IC(ω) erhält man einen EMV-Parameter für ICs, der im Gegensatz zum Strom I_P frequenzunabhängig ist.

3.3 Messung mit dem Spektrumanalysator

3.3.1 Aufbau des Messplatzes und Messung mit der Software ChipScan-ESA

Die Messanordnung zur Messung der elektrischen Kopplung des Test-ICs ist in Bild 67 dargestellt. Der Test-IC ist auf der Testleiterkarte bestückt. Die Testleiterkarte wird in den Groundadapter z.B. GNDA 02 eingesetzt. Die Signal- und Versorgungsverbindungen zum Test-IC werden über einen Steckverbinder zur Testleiterkarte hergestellt.

Die Feldsonde P1702 ist mit Distanzring zentral über dem Test-IC anzuordnen. Der AV-Eingang des Spektrumanalysators ist mit dem N-Connector Ausgang der Probe P1702 über einen N/SMA-Adapter und ein HF-Kabel SMA-SMA 1m verbunden.

Die Messungen der Spektren lassen sich vorteilhaft mit der Software ChipScan-ESA ausführen (siehe auch: Bedienungsanleitung ChipScan-ESA).

Der Spektrumanalysator wird über „Devices/ Devices Manager/ Detected Devices“ automatisch über die verwendete Schnittstelle gesucht und mit dem PC verbunden (Bild 68).

Im „Spectrum Analyser Manager“ sind die Haupteinstellungen des Spektrumanalysators vorzunehmen (Bild 69). Die Umrechnung von U_AV(ω) auf I_P(ω) (Gl 39 I_P(ω) = U_AV(ω) – 34 dBΩ) kann im „Spectrum Analyser Manager“ unter „Correction“ erfolgen. Dafür ist die Korrekturkurve -34 dB nach 3.3.3.1 zu bilden. Unter „Spectrum Analyser Manager“, „Correction“, „Select“ ist sie im „Corrections Selector“ (Mauszeiger ① Bild 70) auszuwählen.

Es öffnet sich das Fenster „Corrections Selector“ Bild 70. Die Korrekturkurve K1702 und der Korrekturfaktor -34 dB wird mit dem Mauszeiger ② aktiv geschaltet. Durch betätigen der „nach rechts“ Taste ③ wird die K1702 und -34 dB in das Verzeichnis „Applied Corrections“ geholt. Weitere Korrekturkurven können dazu geladen werden wie z.B. Kabelkorrekturkurven.

Die Korrekturen sind unter „Correction“, Box „Enabled“ (Mauszeiger ①) zu aktivieren. Wenn die Korrektur aktiv ist, blinkt das Feld ②.

Mit „Take“ oder „Measure“ ist die Messung zu starten (Mauszeiger ③). In der Anzeige erscheint die gemessene Kurve ④. Wenn nur U_AV(ω) gemessen werden soll, ist das Häkchen aus der Box „Enabled“ zu entfernen. Die Blinkanzeige ② verlischt.

Wenn die Korrekturkurve neu gebildet werden soll, kann das nach Anleitung Abschnitt 3.3.4 erfolgen.

3.3.2 Messung des elektrischen Feldes am IC

Der Messaufbau ist im Bild 67 dargestellt. Das Bedienen der Software ChipScan-ESA (Einstellen der Korrekturkurven) ist in 3.3.1 erläutert.

Im Bild 72 sind die Ergebnisse für die Spannung U_AV(ω) und dem mit -34 dB und K1702 korrigierten Erregerstromes I_P(ω) dargestellt.

3.3.3 Erzeugung des Erregerstromes I_P mit der dem Ė -Feldmesser EPM 02 als Testquelle

Zur Erzeugung des Erregerstromes I_P wird der Ė-Feldmesser EPM 02 (Bild 73) als Erregerfeldquelle verwendet. Er wird zur E-Felderzeugung in umgekehrter Wirkungsrichtung betrieben d.h. er wird mit der Spannung U_TG eines Trackinggenerators über seinen SMB-Signalausgang gespeist. Dadurch erzeugt er an der Messelektrode den Erregerstrom I_P bzw. das elektrische Feld E wie es ein IC erzeugt. Die Messelektrode des EPM 02 ersetzt dabei die Padfläche A_Pad des ICs. Die Messelektrode des EPM 02 besitzt einen Durchmesser von 2,1 mm.

Der Messaufbau ist im Bild 74 dargestellt. Der Ė-Feldmesser EPM 02 wird anstelle des Test-ICs in den Groundadapter eingesetzt. Der Ė-Feldmesser EPM 02 ist passfähig für den Groundadapter GND 25. Für die Messung ist er in die Groundplane GND 25 einzusetzen.

Der SMB-Anschluss des Ė-Feldmessers EPM 02 wird über das SMA-SMB Messkabel mit dem Trackinggeneratorausgang des Spektrumanalysators verbunden. Der Messausgang ist auf 50 Ohm angepasst.

Der 50 Ohm Widerstand des EPM 02 bildet mit dem Ausgangswiderstand des Trackinggenerators einen Teiler. An ihm wird die interne Generatorspannung des Trackinggenerators 2 U_TG(ω) auf die Hälfte geteilt und liegt als U_TG an der Elektrode an (Bild 75).

Für den EPM 02 ist die Trackinggeneratorspannung U_TG gleich der Padspannung U_Pad(ω):

Gl 44

Die Elektrode des EPM 02 erzeugt den Erregerstrom I_P(ω) nach Ersatzschaltbild Bild 75 und Gl 28 bzw. Gl 39:

I_P(ω) = ω C₁ U_Pad(ω)

I_P(ω) = 20 Log ω + 20 Log C₁ + U_Pad(ω)

Die Feldsonde P1702 befindet sich über der Groundplane GND 25. Mit dem Distanzring wird der Abstand zur Groundplane eingestellt. Für die Messungen wird vorzugsweise der Distanzring h = 10 mm verwendet. Damit befindet sich die Elektrode der Feldsonde P1702 im definierten Abstand zur Erregerfeldquelle EPM 02.

Der zur Messung verwendete Spektrumanalysator wird nach Bild 74 verschaltet.

Vor der Messung ist der Spektrumanalysator zu normalisieren (U_TG 107 dBµV, Externer Attenuator 30 dB).

Der EPM 02 wird mit 107 dBµV vom Trackinggenerator des Spektrumanalysators gespeist. Als Messergebnis erhält man die Spannung U_AV(ω) Bild 62, die am Eingangswiderstand R_AV des Spektrumanalysators entsteht (Aufbau Bild 74, Ersatzschaltbild Bild 75). Der Frequenzgang der Erregerfeldquelle EPM 02 kann durch die Korrekturkurve KEPM 02R berücksichtigt werden.

Die Steuerung des Spektrumanalysators, Berechnungen und die Dokumentation der Messung wird mit der Software ChipScan-ESA ausgeführt Bild 76.

Die Umrechnung von U_AV(ω) in den Erregerstrom I_P(ω) erfolgt mit Gl 39 I_P(ω) = U_AV(ω) – 34 dBΩ Bild 76. Praktisch kann das über zwei Wege erfolgen:

1. Anwendung des Korrekturfaktors -34 dB während der Messung
2. Anwendung der Mathematikoperation -34 dB nach der Messung

Die Umrechnung wird in der Software ChipScan-ESA ausgeführt. Zunächst wird der Korrekturfaktor -34 dB gebildet.

3.3.3.1 Erzeugung eines konstanten Korrekturfaktors am Beispiel -34 dB

Zunächst wird der Korrekturfaktor -34 dB gebildet. Im „Trace Manager“ Bild 76 befindet sich auf der rechten Seite das Mathematikmenü. Über dem Button „New…“ wird der Editor („Edit Plot“) zum Erzeugen der Korrekturkurve -34 dB geöffnet Bild 77.

Zum Erzeugen einer linearen Funktion müssen nur die Endpunkte in den Editor eingegeben werden. Für dieses Beispiel 0 GHz: -34 dB und 3 GHz: -34 dB. Mit OK wird die Korrekturkurve in die Liste „Traces“ des „Trace Managers“ eingetragen Bild 78 ①. Sie erscheint am unteren Ende der Liste ② und wird im Freitextfeld der Spalte „Comment“ beschriftet. Mit der Pfeil nach rechts Taste ③ wird sie in die Liste „Corrections“ kopiert. Dort kann sie einer Kategorie („Categories“) zugeordnet und mit ↑,↓ sortiert werden.

3.3.3.2 Anwendung der Korrekturkurve -34 dB bei der Messung

Die Korrekturkurve -34 dB ist in der Liste „Corrections“ des „Trace Managers“ vorhanden.

Zur Auswahl für die Korrektur wird im „Spectrum Analyser Manager“ unter „Correction“ der Button „Select“ angewählt (Mauszeiger ① Bild 79).

Es öffnet sich das Fenster „Corrections Selector“ Bild 79. Die Korrekturkurve -34 dB wird mit dem Mauszeiger ② aktiv geschaltet. Durch betätigen der „nach rechts“ Taste ③ wird die Korrekturkurve in das Verzeichnis „Applied Corrections“ geholt.

Im „Spectrum Analyser Manager“ wird im Feld „Correction“ die Box „Enebled“ mit dem Mauszeiger ① Bild 80 aktiviert. Wenn die Korrektur aktiv ist, blinkt das Feld ②. Mit „Take“ oder „Measure“ Mauszeiger ③ Bild 80 wird die aktuelle Messkurve ④ I_P(ω) aus dem Spektrumanalysator in den PC übertragen. Dabei wurde die Berechnung Gl 39 I_P(ω) = U_AV(ω) – 34 dBΩ ausgeführt und die Korrekturkurve K1702 angewendet. In der Liste „Trace“ des „Trace Managers“ wird die Kurve I_P(ω) am unteren Ende der Liste eingetragen. Ein Messprotokoll kann im Freitextfeld der Spalte „Comment“ geführt werden.

Wenn nur U_AV(ω) gemessen werden soll, ist das Häkchen aus der Box „Enabled“ zu entfernen, die Blinkanzeige ② verlischt.

Unter „Annotation“ wird die Kurvennummer automatisch weitergezählt (Curve 183).

3.3.3.3 Anwendung der Mathematikoperation -34 dB nach der Messung

Die Mathematikoperation Subtraktion einer Konstanten vom Plot wird verwendet. Dabei muss im „Trace Manager“ der Plot U_AV(ω) aktiv geschaltet sein (blau hinterlegt Bild 81 Curve 181). Mit der Mathematikoperation Subtraktion, Mauszeiger Bild 81 „Subtract…“ wird das Fenster „Subtract Plots“ geöffnet. Die zu subtrahierende Konstante 34 dB wird eingetragen Bild 82. Mit „OK“ reiht sich das Rechenergebnis U_AV-34 dB am unteren Ende des „Trace Managers“ an (Bild 83 Curve 182).

Wenn die Korrekturkurve angewendet werden soll, ist sie aus der Liste „Correction“ Bild 84 in die Liste „Traces“ zu holen. Die Liste „Correction“ wird angewählt Mauszeiger ①, die Funktion K1702 wird aktiv geschaltet und mit der Pfeil nach links Taste ② in die Liste „Traces“ kopiert.

Die Curve 182 I_P(ω) und die Curve K1702 werden mit dem Mauszeiger ① aktiv geschaltet. Dann wird die Mathematikoperation „Add…“ aufgerufen ②. Es öffnet sich das Fenster „Add Plots“. Mit dem Mauszeiger ③ wird „Sum plots“ aktiviert. Mit OK wird aus der unkorrigierten Stromkurve I_P(ω) ③ die korrigierte Stromkurve ④ gebildet.

3.3.4 Bilden der Korrekturkurve K1702

Für die Korrektur der Abweichung des Frequenzganges der Feldsonde P1702 ist der ideale Verlauf des kapazitiven Erregerstromes I_P(ω) die Basis für die Bildung der Korrekturkurve. Die Korrekturkurve wird aus der Differenz zwischen gemessener und berechneter Stromkurve I_P(ω) gebildet.

Gl 45

Berechnung von I_P(ω):

Aus Ersatzschaltbild Bild 75 und Gl 28 bzw. Gl 30:

I_P(ω) = ω C₁ U_Pad(ω)

I_P(ω) = 20 Log ω + 20 Log C₁ + U_IC(ω)

lässt sich I_P(ω) berechnen. Dabei ist U_Pad(ω) = U_TG(ω). Die Kapazität C₁ Bild 75 liegt für den EPM 02, h = 10mm bei 10,6 fF (Gl 32). Die Berechnung erfolgt in logarithmischer Skalierung nach Gl 30 I_P(ω) = 20 Log ω + 20 Log C₁ + U_pad(ω)

Im „Trace Manager“ ist in der Liste „Corrections“ die Funktion 20 Log ω vorhanden.

Die Funktion wird per Mausklick aktiviert (blau) und durch Betätigen des „nach links“ Buttons (Mauszeiger) in die „Traces“ Liste kopiert. In der „Traces“ Liste wird mit der Mathematikfunktion die Berechnung ausgeführt.

Vorher werden mit dem Taschenrechner die Glieder 20 Log C₁ + U_Pad(ω) berechnet.

Zunächst wird die Kapazität C₁ = 10,6 fF logarithmiert. Mit einem Taschenrechner wird 20 Log 10,6 EXP-15 gebildet (1 fF = 1*10^-15 F):

20 Log C₁ = 20 Log 10,6 fF = -279,49 dBF

Dieser Wert wird zu U_Pad(ω) = U_TG(ω) = 107 dBµV addiert:

107 dB -279,49 dB = -172,45 dB

In der Mathematikfunktion der Software ChipScan-ESA wird die Addition

I_P(ω) = 20 Log ω -172,45 dB

ausgeführt. Die Kurve „20 Log Omega“ wird per Mausklick aktiviert. Unter „Add…“ wird -172,45 als zu addierende Konstante eingetragen (Bild 87). Mit OK erfolgt die Addition. Das Ergebnis I_P(ω) erscheint am unteren Ende der Liste „Traces“ als Kurve (Curve 251) in der Anzeige Bild 88

Damit liegt der berechnete Verlauf von I_P(ω) als Curve 251 als Voraussetzung zur Bildung der Korrekturkurve vor.

3.3.4.1 Bilden der Korrekturkurve K1702W (spezielle Verwendung für Messaufbau Bild 74)

Die Differenz der berechneten Kurve I_P(ω) aus Bild 88 und der gemessenen Kurve I_P(ω) aus Bild 83 ergibt den Korrekturfaktor K1702W. Beide Kurven sind in Bild 89 per Mausklick aktiviert. Die Differenzbildung wird mit der Mathematikoperation „Subtract…“ ausgeführt Bild 89. Unter „Subtract Plot“ wird die abzuziehende Kurve (Curve 182) ausgewählt. Mit „OK“ erscheint die berechnete Kurve am unteren Ende der „Trace List“ und in der Anzeige Bild 90.

K1702W beinhaltet die stehenden Wellen des Trackinggenerators und der Testquelle EPM 02

Unterhalb der unteren Grenzfrequenz kann die erhaltene Korrekturkurve im Editor (Edit…) korrigiert werden.

Wenn die Kapazität C₁ des Prüflings nicht genau bekannt ist, kann der berechnete Stromverlauf I_P(ω) durch anpassen von C₁ an die gemessene Kurve I_P(ω) angeglichen werden.

3.3.4.2 Bilden der Korrekturkurve K1702 (allgemeine Anwendung)

Zur Ermittlung von K1702 muss die Korrekturkurve K1702W (Bild 90) geglättet werden. Der Kurvenverlauf von I_P(ω) ist für Frequenzen ‹ 27 MHz nicht korrekt. Er erreicht die Rauschgrenze. Deshalb weicht die Korrekturkurve in diesem Bereich stark nach unten ab (Bild 91) Mauszeiger ①. Im Editor lässt sich diese Abweichung von Hand korrigieren. Die Curve 242 wird kopiert, es entsteht Curve 242 (Copy). Diese wird mit dem Mauszeiger markiert. Der Editor wird aufgerufen (Mauszeiger ②). Im Fenster „Edit Plot“ wird der Level von Hand auf 0 dB bis 27 MHz korrigiert (Mauszeiger ③). Mit „OK“ wird die Curve 242 (copy) entsprechend geändert (Mauszeiger ④).

Die Curve 242 (copy) wird mit dem Mauszeiger ① (Bild 92) markiert. Dann wird die Mathematikoperation „Smooth…“ aufgerufen (Bild 92) Mauszeiger ②. Es öffnet sich das Fenster „Smooth Plot“. Zur Glättung wurde eine Bandbreite von 300 MHz eingestellt (Mauszeiger ③). Das Ergebnis wird als untere Zeile in der Liste „Traces“ angehängt und in der Anzeige als Kurve ④ dargestellt (Bild 92).

Der Korrekturfaktor K1702 ist in Bild 93 als Curve 243 abgebildet.

3.3.5 Frequenzgang der Feldquelle P1702

Die Übertragungsfunktion ist der funktionelle Zusammenhang zwischen tatsächlichem und gemessenem Erregerstrom I_P(ω). Dabei wird angenommen, dass der tatsächliche Erregerstrom dem oben berechneten entspricht. Durch Umstellen von Gl 45 erhält man:

Gl 46

In logarithmischer Schreibweise:

Gl 47

Die Übertragungsfunktion wird aus der Korrekturkurve Bild 94 durch Invertieren gebildet. Im Bild 95 ist der Frequenzgang der Feldsonde dargestellt. Er entspricht dem invertierten Korrekturfaktor. Der Frequenzgang betrifft die physikalischen Größen, die vom Test-IC zur Feldsonde übertragen werden. Das kann der Erregerstrom I_P(ω) oder Ladung Q_IC(ω) sein.

Sie ist das Verhältnis zwischen gemessenem und tatsächlich fliesendem Erregerstrom I_P(ω) bzw. der Ladung Q_IC(ω).

Bei praktischen Messungen kann der aus dem Frequenzgang ableitbare Messfehler durch Anwendung der Korrekturkurve auf das Messergebnis beseitigt werden (Korrektur in der Software ChipScan-ESA siehe 3.3.3.2, 3.3.3.3).

3.4 Aufbau des Prüfplatzes / Systemaufbau

Alle im Probe Set „HF-Feldmessung an IC“ befindlichen Feldsonden werden auf gleiche Art angeschlossen und benötigen die gleiche IC-Testumgebung ICE1 (www.langer-emv.de). Im Bild 96 ist der Aufbau des Prüfplatzes mit IC-Testumgebung ICE1 (Tabelle 1) und am Beispiel der Feldsonde P1702 dargestellt.

Der Test-IC Bild 96 erzeugt Störfeld. Der vom Feld angetriebene kapazitive Erregerstrom wird von der Elektrode der Feldsonde P1702 aufgenommen zum Spektrumanalysator weitergeleitet und gemessen.

Am Ausgang N-Connector der P1702 steht das Messsignal an. Der Ausgang N-Connector wird über einen Adapter N/SMA mit dem Messkabel verbunden. Die andere Seite des Messkabels wird mit dem AV-Eingang des Spektrumanalysators verbunden. Der Spektrumanalysator kann über GPIB, LAN/VXI oder RS232 mit dem PC verbunden werden. Die Software ChipScan-ESA wird über den Device Manager mit dem Spektrumanalysator verbunden (Dongle muss verwendet werden).

Die Steuerung des Prüfplatzes kann von Hand am Spektrumanalysator erfolgen oder über eine Schnittstelle vom PC aus mit der Steuersoftware ChipScan-ESA. Die Herstellung der Testleiterkarte ist in der Anleitung IC-Test beschrieben.

Der Test-IC ist auf einer Testleiterkarte montiert . Die Testleiterkarte ist in den Groundadapter z.B. GND 25 eingesetzt. Dieser wird in die Groundplane GND 25 eingesetzt. Die Testleiterkarte ist mit dem Connection Board CB 0708 über Steckverbinder verbunden (Bild 96) (Benutzerhandbuch IC-Testumgebung ICE1 ). An Stelle des Connection Boards CB 0708 kann für die Steuerung, das Monitoring und die Versorgung des Test-ICs eine anwenderspezifische Lösung verwendet werden. Eine entsprechende Verbindung zur Testleiterkarte ist zu schaffen. Anstelle der Testleiterkarte und des Groundadapters kann ein (100 x 100) mm TEM-Cell Print verwendet werden. Dabei ist sicher zu stellen, dass die Top-Seite im Bereich der Distanzringauflage keine Bestückung und keine kurzschließbaren Leitungen besitzt. Die Top-Seite sollte bis auf den Test-IC eine durchgehende Massefläche besitzen.

Im Lieferumfang des Probe Sets „HF-Feldmessung an IC“ sind zwei verschiedene Distanzringe enthalten. Die Distanzringe besitzen jeweils 3 mm und 10 mm Höhe. Über die Auswahl des entsprechenden Distanzringes wird die Höhe der Feldquelle über der Groundplane (und damit über dem Test IC) eingestellt. Die 10 mm Höhe ist die Vorzugseinstellung.

Wenn bei Verwendung des 10 mm Distanzrings das Messsignal des Test-ICs nicht ausreicht, kann der 3 mm hohe Distanzring gewählt werden. Bei der Verwendung des 3 mm Distanzringes befindet sich die Elektrode oder der Stromleiter dichter am Test-IC. So wird bei gleicher Störquelle eine größere Störwirkung erreicht. Die Nährung des Test-ICs an die Feldsonde erzeugt bei 3 mm eine stärkere Verzerrung des Feldes als bei 10 mm. Deshalb ist die Messgenauigkeit bei der Verwendung des 10 mm Distanzringes höher.

Beim Übergang vom 10 mm Distanzring auf den 3 mm Distanzring wird die magnetische Flussdichte um den Faktor 2, die elektrische Feldstärke um den Faktor 3 erhöht (unter Vernachlässigung der Rückwirkung durch den Test-IC).

Der gewählte Distanzring wird auf die Groundplane GND 25 aufgesetzt (Bild 96). Anschließend wird die Feldsonde P1600 oder P1700 in die obere Aussparung des Distanzringes eingesetzt. Die Magnetfeldsonde P1600 kann im Distanzring um 360° gedreht werden. Dadurch kann die Ausrichtung des Stromleiters der Feldsonde zum Magnetfeld des Test-ICs gedreht werden (Bild 5, Bild 12).

Das Connection Board CB 0708 und die Control Unit CU 22 dienen der Steuerung des Test-ICs.

Die Beschreibung und Verschaltung dieser Elemente sind im Benutzerhandbuch IC-Testumgebung ICE1 beschrieben. Der praktische Aufbau eines Prüfplatzes ist im Bild 97 zu sehen. Es können bei Bedarf weitere Geräte wie z. B. ein Oszilloskop verwendet werden.

Mit dem IC-Testautomat ICT1 können die Feldsonden der Serie P1600 automatisch gedreht werden. Das ermöglicht das schrittweise automatische Messen der Magnetfelder des Test-ICs in vorgegebenen Winkelrichtungen.

Die aufgeführten Geräte sind in folgenden Anleitungen beschrieben:

3.5 Durchführung der Prüfung

Es gibt zwei Möglichkeiten, den Prüfplatz zu betreiben.

1. Bedienung des Prüfplatzes von Hand
   Mit der Bedienoberfläche des Spektrumanalysators und der Steuerungs- und Versorgungseinrichtung des Test-ICs wird der Prüfplatz gesteuert. Die Arbeitsweise des Test-ICs wird an der Steuerungs- und Versorgungseinrichtung des Anwenders eingestellt. Die Einstellung des Spektrumanalysators erfolgt nach der Bedienungsanleitung der Hersteller entweder an den Bedienelementen des Gerätes oder über die Fernsteuerung vom PC.
2. Bedienung des Prüfplatzes über PC mit ChipScan-ESA
   Die Bedienung ist im Benutzerhandbuch des Probe Sets „HF-Feldmessung an IC“ beschrieben. (Beratung durch Langer EMV-Technik GmbH, mail@langer-emv.de)

3.5.1 Prüfablauf

Der Test-IC wird mit der Steuerungs- und Versorgungseinrichtung in den entsprechenden Betriebszustand geschaltet. Versorgungsspannung und Versorgungsstrom wird überwacht. Im Spektrumanalysator werden die entsprechenden Messparameter (Start, Stopp, Span, BW, …) eingestellt. Die Messanordnung ist nach 3.4 (2.3.1, 3.3.1, 3.3.2) aufgebaut. Die Messung kann mit der Software ChipScan-ESA oder unter Zuhilfenahme kundenspezifischer Anwendungen erfolgen. Mit der Software ChipScan-ESA lassen sich der Messablauf dokumentieren, Korrekturkurven anwenden und Umrechnungen ausführen.

Die schrittweise Drehung der Sonde P1600 und die zugehörige Messung der Magnetfelder kann mit dem IC-Testautomat ICT1 automatisch durchgeführt werden (Beratung durch Langer EMV-Technik GmbH, mail@langer-emv.de).

Die Vorgehensweisen zum Prüfablauf sind in der Anleitung IC-Test beschrieben (mail@langer-emv.de).

3.6 Überprüfung der Kurvenform

Die Kalibrierung der Feldsonden erfolgt aller 2 Jahre oder vor jeder großen Messaufgabe. Die Ausführung der Kalibrierung erfolgt durch Langer EMV-Technik GmbH oder nach Kalibrieranleitung 1600/1700 der Langer EMV-Technik GmbH.

Das Bilden der Korrekturkurve ist in den Kapiteln 2.3.5 und 3.3.4 beschrieben.

4 Sicherheitshinweise

Dieses Produkt richtet sich nach den Anforderungen der folgenden Bestimmungen der europäischen Union: 2004/108/EG (EMV-Richtlinie) und 2006/95/EG (Niederspannungsrichtlinie).

Lesen und befolgen Sie das Benutzerhandbuch und bewahren Sie es für die spätere Nutzung an einem sicheren Ort auf. Die Anwendung des Gerätes ist von auf dem Gebiet der EMV sachkundigem und für diese Arbeiten geeignetem Personal auszuführen.

Wenn Sie ein Produkt der Langer EMV-Technik GmbH nutzen, bitte beachten Sie die folgenden Sicherheits-hinweise, um sich selbst gegen elektrischen Schlag oder das Risiko einer Verletzung zu schützen und um die verwendeten Geräte und den Test-IC vor Zerstörung zu schützen.

• Die Bedienungs- und Sicherheitshinweise aller jeweils eingesetzten Geräte sind zu beachten.
• Beschädigte oder defekte Geräte dürfen nicht benutzt werden.
• Machen Sie vor der Inbetriebnahme eines Messplatzes mit einem Produkt der Langer EMV-Technik GmbH eine Sichtprüfung. Beschädigte Verbindungskabel sind vor Inbetriebnahme zu tauschen.
• Das Produkt der Langer EMV-Technik GmbH darf nur für Anwendungen genutzt werden, für die es vorgesehen ist. Jede andere Nutzung ist nicht erlaubt.
• Träger von Herzschrittmachern dürfen nicht mit dem Gerät arbeiten.
• Grundsätzlich sollte der Prüfaufbau über eine gefilterte Stromversorgung betrieben werden.

Für die Zerstörung von Test-ICs kann keine Haftung übernommen werden!

5 Gewährleistung

Langer EMV-Technik GmbH wird jeden Fehler aufgrund fehlerhaften Materials oder fehlerhafter Herstellung während der gesetzlichen Gewährleistungsfrist beheben, entweder durch Reparatur oder mit der Lieferung von Ersatzgeräten.

Die Gewährleistung gilt nur unter folgenden Bedingungen:

• den Hinweisen und Anweisungen des Benutzerhandbuches wurde Folge geleistet.

Die Gewährleistung verfällt, wenn:

• am Produkt eine nicht autorisierte Reparatur vorgenommen wurde,
• das Produkt verändert wurde,
• das Produkt nicht bestimmungsgemäß verwendet wurde.

6 Technische Daten

6.1 Eigenschaften

6.1.1 Eigenschaften der Feldsonden der Serie P1600

6.1.2 Eigenschaften der E-Feldsonde 1702

6.1.2.1 E-Feldsonde P1702, Probekonstanten

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