TWI750571B - 偵測電磁干擾之主動式量測探棒 - Google Patents

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章殷誠
張大強
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/001—Measuring interference from external sources to, or emission from, the device under test, e.g. EMC, EMI, EMP or ESD testing
    • G01R31/002—Measuring interference from external sources to, or emission from, the device under test, e.g. EMC, EMI, EMP or ESD testing where the device under test is an electronic circuit

Abstract

本發明關於一種用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其包含一第一連接件、一阻抗元件、一放大器與一第二連接件。第一連接件耦接阻抗元件的一端與放大器的輸入端，阻抗元件的另一端耦接接地端。第二連接件耦接放大器的輸出端。

Description

偵測電磁干擾之主動式量測探棒
本發明關於一種用以偵測電磁干擾訊號之量測探棒，尤其是一種用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒。
隨著技術的飛速發展，由於積體電路（IC）在低電源電壓下提高工作速度和電晶體數量，而產生更多雜訊與易受干擾。所以，半導體供應商經常被要求提供有關積體電路的傳導電磁干擾（EMI）的測試信息。相對在終端產品上檢測系統級別的電磁干擾（EMI）與電磁敏感性（EMS）問題，在積體電路（IC）級別進行測試會更為有效，其可以避免複雜的情況並評估不符合電磁輻射（EME）規範的真正原因。 通過在IC級別上的測量，可以在不同級別（IC，PCB，模塊和系統）的各種設計版本之間比較電磁相容性（EMC），其有利於縮短產品開發週期。
國際電工委員會（IEC）發布用於評估IC級EME和EMS的兩個系列的測量標準，即IEC 61967 [1]和IEC 62132 [2]。 基於這些標準提出了不同的方法，例如橫向電磁（TEM）電池方法[3] [4]通過屏蔽罩收集來自被測設備（DUT）的EME輻射。表面掃描方法[5] [6]捕獲被測設備（DUT）上的近場電子/電磁波。或者，磁探針[7]，[8] 測量傳導型EME，而接收基於此量測目的而設計的金屬走線上的電流所產生的磁場。在多種探針的選擇中，可以採用與1- Ω/ 150-Ω（歐姆）探針[9]，[10]進行直接耦接的方法，其中，物理連接被測設備（DUT）的方式可以確保測量結果具有高再現性。
在使用直接耦接方法獲得可靠測量結果的最重要步驟是實現滿足嚴格IEC標準的探頭。一個特殊的挑戰是要使用1歐姆電流探頭符合規範。例如藉由並聯多個電阻[11]，可以改善寄生效應降低頻率響應的問題，並且可以構建符合IEC標準的1 GHz帶寬的電流探頭。但是，1歐姆電流探頭仍然存在一個問題，就是被動式探頭的損耗相對較大。一般而言，被測設備的最低電位是作為測試點，所以，擷取信號的振幅通常很小。因此，由IEC標準[1]，[2]所定義分辨率帶寬（RBW）設置為100 kHz且視頻帶寬（VBW）為10 kHz（10： 1比率）的情況下，某些高頻干擾的電壓準位可能接近或甚至低於測試接收器的雜訊準位，而無法被量測。再者，如果為了量測到此類低電壓準位的干擾信號，將頻譜分析儀的設置調整為非常窄頻的RBW（低至數百赫茲或更低），則可能會使測量變得非常耗時，而不可能進行全面的大規模產品測試。
鑒於上述問題，本發明提出了一種整合放大器的主動式量測探頭，其用於量測千兆赫茲範圍內的傳導電磁干擾（EMI）。
本發明之目的，在於提供一種主動式量測探棒，其透過精準的電阻器設計與放大器的整合，使量測探棒的損耗低於傳統的34 dB，例如放大器增益為10dB時損耗可以降低至24.2dB，而省略阻抗元件更有機會降低至18dB，且主動式量測探棒可以較傳統被動式量測探棒具備更佳的雜訊偵測能力。
本發明關於一種用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其包含一第一連接件、一阻抗元件、一放大器與一第二連接件。第一連接件耦接阻抗元件的一端與放大器的輸入端，阻抗元件的另一端耦接接地端。第二連接件耦接放大器的輸出端。
請參閱第一圖，其為本發明之主動式量測探棒之應用實施例的示意圖。如圖所示，一電路板PCB上具有一積體電路IC，且積體電路IC耦接一電源供應器10與一負載20。電源供應器10供應一電源電壓至積體電路IC的一電源端VDD，負載20耦接積體電路IC的輸入/輸出端I/O。電源供應器10與負載20耦接積體電路IC的一低電源端VSS，如此，從電源端VDD至低電源端VSS與輸入/輸出端I/O至低電源端VSS為一電流路徑（虛線處）。原本積體電路IC的低電源端VSS耦接一接地端GND，於量測積體電路IC的雜訊時，移除積體電路IC的低電源端VSS與接地端GND的連接。主動式量測探棒40藉由一第一連接件50連接積體電路IC的低電源端VSS與接地端GND，及藉由一第二連接件51連接一測試接收機。於此實施例測試接收機30可以是一頻譜分析儀（或一示波器）30。
主動式量測探棒40包含一阻抗元件與一放大器41，於此實例中阻抗元件可以為一第一電阻器R1，其阻值為0.1~2歐姆（Ω），本實施例選擇1歐姆。第一電阻器R1耦接於第一連接件50與一接地端GND之間，其中，第一電阻器R1可以並聯第一連接件50。放大器41可以為10dB、20dB或0~50dB間任選一種增益的放大器41，且放大器41的增益影響主動式量測探棒的損耗，例如放大器41的增益提升，主動式量測探棒的損耗降低。主動式量測探棒40可以與分離的第一連接件50及第二連接件51組裝為一量測器件。主動式量測探棒40的第一連接件50以直接耦接方法測量傳導發射的結構（如積體電路IC）。主動式量測探棒40的第一連接件50插入積體電路IC的低電源端VSS和電路板PCB的接地端GND之間，以測量RF干擾。主動式量測探棒40中的1歐姆電阻器的低阻抗確保積體電路IC的正常運行，且因為大部分返回電流會流過積體電路IC的低電源端VSS引腳，而允許主動式量測探棒40測量通過1Ω電阻器的射頻（RF）電流，以提取一小部分干擾信號進行分析。再者，藉由測試接收機30量測從所有的RF電流返回到積體電路IC所產生的RF電壓。
對於一般測試時所忽略積體電路IC的弱干擾可能會導致最終系統中的EMI問題。 雜訊主要由積體電路IC中的瞬態電流引起。 當低準位瞬態電流遇到高阻抗配電網絡（PDN）時，電壓波動可能變得顯著。再者， PDN阻抗在頻率高於100 MHz時的增加是由寄生環路電感決定，且阻抗值很難減小。所以，某些共振可能會在非預期的頻率發生。本發明的主動式量測探棒40可以用於在積體電路IC級別上測量一般測試時所忽略積體電路IC的弱干擾，而解決最終系統中的EMI問題。
此外，高速積體電路IC中的開關同時切換會導致瞬態電流以參考時脈的基頻和諧波產生。瞬態電流導致的信號會在寬廣的頻率範圍內傳播，並成為潛在的雜訊。 如果PDN的阻抗在電路板PCB上沒有保持足夠低，則接地路徑中的回流電流會導致接地路徑中出現瞬態電壓。因此，接地彈跳會影響其他電路模塊甚至整個系統的運行，從而導致EMI問題。所以，藉由本發明所提出1歐姆低阻抗的主動式量測探棒40，可以識別干擾的信號強度和頻率範圍。量測到的信息不僅可以用於電路板PCB對於優化EMC的佈局考量，而且可以全面了解高速積體電路IC產生的干擾，以供系統設計參考。
請參閱第二圖，其為本發明之主動式量測探棒與傳統被動式量測探棒之插入損失的比較圖。如圖所示，主動式量測探棒40在包含1歐姆電阻器與放大器41下的，插入損失從約34dB降低至約18dB（無49歐姆電阻器的實施例）。再者，放大器41與1歐姆電阻器間可以從短路迴路，改為透過其他阻抗元件相互耦接，例如透過49歐姆電阻器，如此，主動式量測探棒40的輸入與輸出可以阻抗匹配。再者，主動式量測探棒40可以整合至積體電路IC或搭配商售IC使用。
請參閱第三圖，其為本發明之主動式量測探棒之雜訊偵測能力的示意圖。如圖所示，說明使用主動式量測探棒40在測試接收機30的雜訊準位下檢測容易被忽略的電磁干擾。雜訊準位表示設備（如測試接收機30）顯示的平均雜訊準位（Display Average Noise Level，DANL）。主動式量測探棒40電流探頭的設計應具有在寬頻率範圍內具有高轉阻增益的精確1歐姆輸入阻抗。而且， 設計一個具有低輸入阻抗、高增益和從DC至千兆赫茲帶寬的放大器41。所以，主動式量測探棒40由兩部分組成，分別是高精度的1歐姆電阻器和寬帶放大器41。
請參閱第四圖，其為傳統被動式量測探棒之雜訊量測結果的波形圖。如圖所示，在符合IEC標準規範下，使用經過驗證的被動式1歐姆探棒而得到頻譜量測結果。而且，頻譜分析儀的RBW和VBW的設置也分別遵循IEC標準為100KHz和10KHz。如此，觀察到的干擾主要是在400MHz以下，即積體電路IC（或其他待測物，例如MCU）在400MHz以上可能無產生雜訊，且量測的掃描時間約為1.552秒。
請參閱第五圖，其為本發明之主動式量測探棒之雜訊量測結果的波形圖。如圖所示，顯示本發明提出之積體化CMOS主動式量測探棒40的量測結果。使用同的RBW和VBW設定，可以明顯觀察到400MHz以上有其他的高頻干擾，而可能干擾正常的系統運行。其中，主動式量測探棒40的量測掃描時間約為1.552秒。
接下來參閱第六圖，其為本發明之主動式量測探棒之驗證雜訊量測能力的波形圖。將 RBW和VBW的頻率縮小，並使用傳統被動式探棒量測雜訊，以驗證本發明的主動式量測探棒40的雜訊量測結果是否正確。將RBW和VBW分別減小到10KHz和1KHz後進行雜訊量測，雜訊準位降低10dB，且頻譜中出現傳統被動式探棒原本無法量測到的高頻干擾。由此可證，在超過400MHz的頻段確實有高頻干擾存在，其中，雜訊量測的掃描時間從第五圖的1.552秒大幅上升100倍至155.2秒，所以，不適用於大規模產品測試。因此，由第五圖與第六圖相比可知，本發明的主動式量測探棒40可以在合理的時間內觀察（或量測）到被測接收機30的雜訊準位中隱藏的干擾，而可以用來確定高速積體電路IC的電磁干擾（EMI）測試的問題來源。
綜上所述，本發明提出了一種整合放大器的主動式量測探頭，其用於量測千兆赫茲範圍內的傳導電磁干擾（EMI），且透過精準的1歐姆電阻器設計與放大器的整合，使量測探棒的損耗低於傳統的34dB，且主動式量測探棒可以較傳統被動式量測探棒具備更佳的雜訊偵測能力。因此，本發明關於一種用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其包含一第一連接件、一阻抗元件、一放大器與一第二連接件。第一連接件耦接阻抗元件的一端與放大器的輸入端，阻抗元件的另一端耦接接地端。第二連接件耦接放大器的輸出端。
10:電源供應器 20:負載 30:測試接收機 40:主動式量測探棒 41:放大器 50:第一連接件 51:第二連接件 Die:晶粒 EMI:電磁干擾 GND:接地端 IC:積體電路 IN:輸入端 I/O:輸入輸出端 noise:雜訊 noise level:雜訊準位 OUT:輸出端 PCB:電路板 VDD:電源端 VSS:低電源端
第一圖：其為本發明之主動式量測探棒之應用實施例的示意圖； 第二圖：其為本發明之主動式量測探棒與傳統被動式量測探棒之插入損失的比較圖； 第三圖：其為本發明之主動式量測探棒之雜訊偵測能力的示意圖； 第四圖：其為傳統被動式量測探棒之雜訊量測結果的波形圖； 第五圖：其為本發明之主動式量測探棒之雜訊量測結果的波形圖；及 第六圖：其為本發明之主動式量測探棒之驗證雜訊量測能力的波形圖。
10:電源供應器
20:負載
30:測試接收機
40:主動式量測探棒
41:放大器
50:第一連接件
51:第二連接件
Die:晶粒
GND:接地端
IC:積體電路
IN:輸入端
I/O:輸入輸出端
noise:雜訊
OUT:輸出端
PCB:電路板
R1:電阻器
VDD:電源端
VSS:低電源端

Claims (6)

  1. 一種用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其包含： 一第一連接件； 一阻抗元件，其一端耦接該第一連接件，該阻抗元件的另一端耦接一接地端； 一放大器，其一輸入端耦接該第一連接件；及 一第二連接件，耦接該放大器的一輸出端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其中，該放大器與該阻抗元件之間為一短路迴路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其中，該阻抗元件為一第一電阻器，阻值為0.1~2歐姆。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其中，該阻抗元件為一第一電阻器，阻值為1歐姆。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其中，該放大器的增益為0dB~50dB。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用以偵測電磁干擾訊號之主動式量測探棒，其中，該放大器與該阻抗元件間包含另一阻抗元件，該另一阻抗元件的一端耦接該阻抗元件的一端與該第一連接件，該另一阻抗元件的另一端耦接該放大器的該輸入端。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0607481A1 (en) * 1993-01-19 1994-07-27 Electronic Development, Inc. Apparatus and method for electromagnetical field susceptibility testing
WO2002054967A1 (en) * 2001-01-15 2002-07-18 Silhouet-Tone Ltée Probe assembly, device and system for rf epilation
TW200600794A (en) * 2004-06-01 2006-01-01 Tektronix Inc Wide bandwidth attenuator input circuit for a measurement probe
US20150061698A1 (en) * 2013-09-05 2015-03-05 Delphi Technologies, Inc. Electromagnetic interference (emi) test apparatus

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4088962A (en) * 1977-04-06 1978-05-09 Trilling Ted R Self biasing differential amplifier
US20020033706A1 (en) * 2000-08-03 2002-03-21 Mehyar Khazei System method, and apparatus for field scanning
US6822463B1 (en) * 2001-12-21 2004-11-23 Lecroy Corporation Active differential test probe with a transmission line input structure
JP5215942B2 (ja) * 2009-06-03 2013-06-19 株式会社日立製作所 電子装置、および、雑音電流測定方法
TWI509259B (zh) * 2014-03-18 2015-11-21 Nat Applied Res Laboratories 傳導式電流探頭

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0607481A1 (en) * 1993-01-19 1994-07-27 Electronic Development, Inc. Apparatus and method for electromagnetical field susceptibility testing
WO2002054967A1 (en) * 2001-01-15 2002-07-18 Silhouet-Tone Ltée Probe assembly, device and system for rf epilation
TW200600794A (en) * 2004-06-01 2006-01-01 Tektronix Inc Wide bandwidth attenuator input circuit for a measurement probe
US20150061698A1 (en) * 2013-09-05 2015-03-05 Delphi Technologies, Inc. Electromagnetic interference (emi) test apparatus

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