Étude de l`impact d`une perturbation électromagnétique sur le

´
Etude de l’impact d’une perturbation ´electromagn´etique
sur le fonctionnement de composants logiques
´electroniques
Catherine Mar´echal, Marco Klingler, Marc Heddebaut, Bernard Demoulin
To cite this version:
Catherine Mar´echal, Marco Klingler, Marc Heddebaut, Bernard Demoulin. ´ Etude
de l’impact d’une perturbation ´electromagn´etique sur le fonctionnement de composants
logiques ´electroniques. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1995, 5 (6), pp.743-756.
<10.1051/jp3:1995158>.<jpa-00249343>
HAL Id: jpa-00249343
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J. Phys. III France 5(1995) 743-756 JUNE 1995, PAGE 743
Classification
Physics Abstracts
06.30F 06.70E
#tude de l'impact d'une perturbation 41ectromagn4tique sur le
fonctionnement de composants logiques 41ectroniques
Catherine Mar4chal (~ ), Marco Klingler (~ ), Marc Heddebaut (~ et Bernard Demoulin (~
(~) INRETS (Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sdcuritd) L#OST (Labo-
ratoire (lectronique Ondes et Signaux pour les Transports), 20 rue #lisde Redus, 59650 Ville-
neuve d'Ascq, France
(~) USTL-LRPE (Universit4 des Sciences et Technologies de Lille Laboratoire de Radio-
Propagation et (lectronique), 59650 Villeneuve d'Ascq, France
(Re§u le is juin 1994, accept4 le 22 fdvrier 1995)
Rdsum4. Nous nous int6ressons dans cet article hla susceptibilitd 61ectromagndtique de
composants 41ectroniques logiques. Plusieurs techniques de rdalisation de ces composants sont
pass4es en revue. La premiAre partie est consacr4e h l'dtude d'un dispositif sous test simple
compos6 de deux portes NAND connect6es en cascade. La simplicitd de ce dispositif facilite la
comprdhension du processus de perturbation. La deuxiAme partie est consacrde Il'dtude d'une
carte dlectronique inspirde d'une carte rdalisant une fonction de sdcuritd sur le mdtro automatique
de Lille. Ce travail s'apparente hl'6tude d'un cas r6el et pratique. La sfiretd de fonctionnement
est ici fondle sur l'utilisation d'une redondance mat6rielle de la fonction suivie d'un comparateur
de signaux.
Abstract. This paper deals with the susceptibility of digital electronic components depend-
ing on the components' technology. The first part of this paper will present the results obtained
on asimple circuit under test composed of two digital gates interconnected together. The second
part will deal with apractical case study of aprinted circuit board representing an electronic
safety function on the automatic metro of Lille based on an active material redundancy.
Introduction
La compatibilitA Alectromagn4tique (CEM) est l'aptitude d'un 4quipement ou d'un systAme
hfonctionner de faqon satisfaisante dans son environnement Alectromagn6tique sans produire
lui mAme de perturbations 61ectromagn4tiques intolArables pour quoi que ce soit darts cet
environnement. Des 4tudes montrent que la mise aux normes CEM d'un systAme coilte d'autant
plus chAre qu'elle est effectu4e tardivement dans le processus de fabrication. Il importe donc
de prendre en compte la CEM des produits dbs leur conception.
Nous nous intAressons darts cet article hla sensibilitA 4lectromagnAtique des systAmes Alec-
troniques. Les perturbations produites au niveau d'un dispositif dlectronique se propagent par
©Les Editions de Physique 1995

744 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°6
conduction au niveau des sous-dispositifs pour arriver finalement aux dtages d'entrde/sortie
des composants dlectroniques. Le comportement de ces composants vis h vis des perturba-
tions intervient donc sur la sensibilitd globale du dispositif dlectronique. C'est pourquoi nous
Atudions la susceptibilitA des composants logiques dlectroniques selon leur technologie. Nous
analysons dgalement la silretd de fonctionnement d'un systbme redondant actif soumis hune
perturbation dlectromagndtique, [es composants des voies du systbme (taut de technologies
diff4rentes. L'objectif de cette dtude est de montrer l'importance du choix, en termes de CEM,
de la technologie des composants lors de la conception d'un systbme et de fournir, hterme,
des informations pratiques pour aider [es concepteurs et [es ingdnieurs chargds de la sdcuritd h
choisir une technologie de composants.
1. #tude d'uu dispositif sous test simple
1.I. INTRODUCTION. Les travaUX eifectUds sUr des dispositiis SOUS test simples ConstitUds
de composants dlectroniques logiques out r4vdld trois types de ddfauts sur les signaux selon le
niveau du perturbateur (Fig. 1) [1]. Des avarices ou des retards de signaux par rapport aux
instants id4aux de commutation apparaissent pour des amplitudes faibles du perturbateur [2-4].
Aux amplitudes un peu plus 41ev4es, des distorsions du front de transit logique ou pseudo-
commutations sont observdes [4]. Enfin pour un couplage fort, les (tats logiques statiques sort
perturbds [5-7].
Notre travail consiste hcaract4riser les d4fauts qui arri,,eat sur les (tats statiques pour des
perturbations de forte puissance. Il complbte l'dtude statistique rdalisde par Coudoro [4] sur les
retards ou avances de fronts logiques.
Pour des frdquences dlevdes de perturbations, des phdnombnes de redressement apparais-
sent dans [es jonctions PN. Les caractdristiques statiques des diodes ou transistors bipolaires
sort modifides, car la valeur moyenne du signal redressd change [es points de polarisation [8].
D'autre part, en premibre approche, on peut considdrer qu'au dell de sa fr4quence maximale
de travail, le composant joue un r61e de filtre passe-bas. Pour des amplitudes dlevdes d'agres-
V
+5 $~~~ ~V
Transit ~~ +5
Tmnv<
i,,,rm~>1
0~~
~
20 nslDiv 50 nslDiv I~slDiv
a) b) c)
Pubsancedupenurhaeur +~
Fig, I. Les dilfdrents types de ddfauts observds sur des dispositifs sous test simples selon la puissance
du perturbateur :a) Ddfauts du type avance ou retard de front, b) Pseudo-commutation, c) Ddfauts
statiques.
[The different types of faults observed on simple circuits under test depending on the power of the RF
disturbance a) Timing faults, b) Pseudo-commutation, c) Static faults.]

N°6 PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES 745
sions dlectromagndtiques, Ies signaux en entrAe des composants sort redressds par les diodes
de protection. Si ces signaux out une frdquence dlevde par rapport hla frdquence maximale de
travail des composants, leur valeur moyenne est dAtectde par les portes. La d4tection-filtrage
du signal redress4 gdnbre une tension de polarisation suppldmentaire qui se superpose h la
tension de polarisation nominale. Cette polarisation supplAmentaire ddcale donc les niveaux
de fonctionnement nominaux des composants et notamment le seuil de commutation (Rdf. [7],
pp. 86 h87). Les outils rdalisds au laboratoire et prdsentds darts cet article outil statistique et
visualisation des extremums de tension du signal perturbd- rdvblent l'impact de ces ddcalages
sur [es signaux en sortie des composants.
I.2. DESCRIPTION Du DISPOSITIF sons TEST ET Du BANC DE MESURES. Les dtudes prdcd-
dentes out montrd que [es capacitds de ddcouplage suffisent hprotdger [es signaux d'alimentation
contre des perturbations dlectromagndtiques [5]. Nous nous intdressons donc hla perturbation
des dtages d'entr4e/sortie des composants.
Le dispositif sous test initial est constitu4 de deux portes inverseuses mont4es en cascade et
de technologie identique (Fig. 2a). La mise en parallbli de deux dispositifs sous test permet de
tester deux technologies simuItan4ment et de simuler un systAme redondant simple (Fig. 2b).
La Iigne de transmission qui retie Ies deux inverseurs est soumise hun champ 4Iectromagn4tique
gdn4r4 par une cellule de type "stripline" dans laquelle se propage une onde 41ectromagn4tique
plane (Fig. 2c). Le banc de mesures est entibrement automatis4.
Lors de l'4tude statistique, l'information qui transite sur le systbme est un signal carr4 de
fr4quence 1MHz. Les signaux sont enregistr4s pour des fr4quences de perturbateur variant de
15 &IHz h 95 MHz par pas de 10 MHz et une amplitude variant de 50 V/m h450 V/m par pas
de 50 V/m. Une fois tous [es signaux acquis, its sort traitAs h l'aide de l'outil statistique.
Lors de la visualisation des extremums de tension entre lesquels [es signaux de sortie varient,
Charge 5°Q
~oscillowcpe
~Cellule
TEM "sbipline"
E
~~_ ~~~° ~°' ~
~~
~
~~ ~~~~'P~~""~ AInplWca1eur
B8kHz 225 MHz
4o dB 10 W
~BUSGPIB Gdn&wur
0.I-llXY~MHz
b) c)
Fig. 2. a) Le dispositif sous test initial, b) Mise en parallAle de deux dispositifs sous test, c) Le bane
de mesures.
[a) The initial circuit under test, b) Two circuits under test in parallel, c) The test bench.]

746 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°6
l'entrde du dispositif sous test est constamment hl'dtat bas ou hl'dtat haut. La frdquence
du champ dlectromagndtique perturbateur varie de 15 MHz h 200 MHz par pas de 10 MHz et
l'amplitude de 0V/m hune valeur approximative de 900 V/m.
1.3. LES OUTILS UTILIS#S POUR #TUDIER LB DISPOSITIF SOUS TEST SIMPLE
1.3.1. Pr1~lcipe de l'lltude statistique. Un ddfaut est l'dcart entre la caractdristique d'une
entitd et la caractdristique voulue, cet (cart ddpassant des limites d'acceptabilitd. En ce qui
concerne les niveaux de composants logiques, les limites d'acceptabilit6 sort les tensions de
seuil donndes par les constructeurs. Le principe de l'dtude statistique est donc de comparer,
dchantillon par dchantillon, le signal perturbd hun signal non perturbd dit de rdfdrence (Fig. 3).
Nous ddterminons trois (tats possibles. L'dtat bas si le signal est en dessous de la tension de
Tension
signal de ~~~ ~~~
nlfbewe 11
has
,,
~
'~) #tat haut
Signal
penudd '
:,'has
,,,
,,,
£chantillon £chantillon £chantillon
earn£ non earn£ non earn£ ~~~P~
Fig. 3. Principe de l'Atude statistique. Le signal perturbd est compard au signal de rdfdrence. Si un
dchantillon n'est pas dans Ie mime dtat que I'6chantiIIon de rdfArence correspondant, it est considdrd
comme errand.
[Principle of the statistical study. The disturbed signal is compared to the reference signal. If asample
is not in the same state as the corresponding reference sample, it is considered as erroneous.]
seuil niveau bas l~i, l'dtat haut si le signal est au-dessus de la tension de seuil l~h et l'dtat
inddtermind. Si hun instant donna, l'dchantillon du signal perturbd ne se trouve pas darts le
mAme (tat que l'dchantillon du signal de rdfdrence, celui-ci est considdrd comme errand. L'dtat
inddtermind est ainsi considdrd comme un (tat errand. Une fenAtre de 20 us est ddfinie autour
de chaque front pour limiter l'dtude aux (tats statiques. Nous prdsentons dans cet article la
caractdristique la plus reprdsentative, hsavoir le pourcentage de temps durant lequel les niveaux
sent perturbds.
1.3.2. Mdtllode de mesures pour visualiser les extremums de tension entre lesquels les sig~laux
perturbds varie~lt. Lorsque la frdquence du signal modulant est trAs infdrieure hla frdquence
de la porteuse, le rdgime moduld en amplitude est localement dquivalent hun rdgime harmo-
nique (Fig. 4). En utilisant une rampe comme signal modulant, nous obtenons donc un signal
harmonique dent l'amplitude varie lindairement avec le temps (Fig. 5). En entrde du dispo-
sitif sous test, nous imposers un (tat logique bas ou haut et nous soumettons le systAme au
perturbateur. Nous visualisons les courbes XY obtenues en mesurant la rampe du signal de
modulation sur la voie ~Y, et en mesurant la sortie du dispositif sous test sur la voie Yde
l'oscilloscope. La signification physique des courbes obtenues est expliqude figure 6.