27-02-2015COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICAEduardo Flores CI:
20.245.575Proyectos 4 y 6. MODELAR LA MATRIZ DE CAPACITANCIAS E
INDUCTANCIAS PARASITAS PARA LOS PINES DE UN CHIP DIGITAL DE ALTA
FRECUENCIA.Este proyecto se realizar usando un modelo aproximado de
un chip digital, con dimensiones reales especificadas por MicroChip
Technology Inc. Como se muestra en la Fig. 1. Sin embargo, por
limitaciones de recursos de computacin se har una modificacin en la
cantidad de pines del diseo (14 pines) y en consecuencia las
dimensiones del largo y ancho tambin sern reducidas. A continuacin
se presentan las dimensiones del Chip a disear.
Figura 1. Dimensiones del ChipLista de parmetros utilizados en
CST STUDIO
Figura 2. Parmetros de diseoTodas las dimensiones mostradas en
la Fig. 2 estn expresadas en micrmetros.Los materiales que se
utilizan son:PEC para los pines, el plano de tierra y los cables o
conexiones. Plstico para el encapsulado con psilon igual a 4.
Substrato con psilon igual a 9,2. Silicn para la placa del chip con
psilon de 12.3.En la Fig. 3 se muestra el Chip que se dise en CST
STUDIO en la Suite MWS.
Figura 3. Montaje del Chip digital.En la Fig. 4 se muestra una
vista interna del Chip y todos sus puertos, debido a que los
fabricantes aportan poca informacin de la estructura interna de sus
productos, la parte interna del encapsulado y de los pines se
disearon de manera aproximada.
Figura 4. Pines y puertos del Chip digital.Luego de realizar el
diseo del dispositivo se procede a realizar los estudios
correspondientes para el anlisis de los parmetros S y distintos
monitores de campo Elctrico, Magntico, Corriente de superficie,
Densidad de energa elctrica y magntica, para observar el
comportamiento de este dispositivo en la frecuencia de 0 a 6 GHz.La
seal de excitacin es mostrada en la Fig. 5:
Figura 5. Pulso Gaussiano con duracin de 0.6us.Se realiza el
estudio solo para los puertos 1, 2, 3 y 4, siendo excitados por la
seal antes mencionada.Bien, presentamos ahora los resultados ms
relevantes de 1D.Seales de los puertos.Puerto 1
Figura 6. Seales debido al puerto 1 en el tiempo.En la figura
anterior se aprecia como es el comportamiento de los puertos debido
a la seal en el puerto 1, el pulso rosado representa la seal
transmitida o(101,1) y la seal verde representa la reflejada
o(1,1). Se ve como el resto de los puertos se ven afectados en
pequea forma por la seal de entrada en el puerto 1.
Figura 7. Seales del puerto discreto 1 del ejemplo IC package de
CST STUDIOSi comparamos con un chip creado por CST podemos apreciar
la precisin que existe en el diseo que no existe un delay entre la
seal de entrada y la de salida y la atenuacin es mnima. La
interferencia a otros pines no es nula pero es pequea.Comparacin de
los puertos
Figura 8. Comparacin de seales interferentes de los puertos 1, 2
y 3 en el tiempo.Comparando las seales en la Fig. 8, nos damos
cuenta que los puertos 1 y 2 son los que ms se interfieren, luego
les sigue la interferencia entre los puertos 2 y 3, que
prcticamente es similar para el resto de par de puertos contiguos,
la interferencia entre el puerto 1 y 3 es menor pero aun
apreciable.Parmetros SPuerto 1
Figura 9. Parmetros S del puerto 1 en la frecuencia.Debido a que
el diseo del chip se hizo de forma aproximad y con pines de PEC el
comportamiento en la frecuencia como se aprecia es casi constante,
sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia existe ms
interferencia entre pines y mayor atenuacin.
Comparacin
Figura 10. Comparacin de Parmetros S interferentes de puertos 1,
2 y 3 en la frecuencia.El anlisis es similar al que se realiz en la
Fig. 8 en el tiempo, los pines ms cercanos son los que ms se
interfieren.Resultados en 2D y 3D Se definieron monitores a las
frecuencias de f=0, 60 Hz, 1.5, 3, 4.5 y 6 GHz.Campo Elctrico
Figura 11. Campo elctrico debido al puerto 1 @60Hz.En la Fig. 11
se puede apreciar como el campo elctrico radia hacia afuera del pin
1, lo cual trae como consecuencia que contamine el pin 2 y el pin
14 principalmente. De la Fig. 12 se puede observar lo mismo, el pin
2 radia a los dems pines, principalmente los pines 1 y 3, y como se
ve ambos pines tambin afectan la parte interna del chip.Los campos
a 60 Hz son de baja frecuencia y se encuentran confinados no como
se muestra en los parmetros S tienen un mejor comportamiento.
Figura 12. Campo elctrico debido al puerto 2 @60Hz.
Figura 13. Campo elctrico debido al puerto 1 @6GHz
Figura 14. Campo elctrico debido al puerto 2 @6GHzBien, si ahora
observamos los campos elctricos a 6GHz notamos rpidamente dos
cosas, los campos estn atenuados pero ms dispersos, lo que quiere
decir que hacen mayor interferencia. En la Fig. 13 y 14 vemos como
ya los campos radiados no solo afectan a los pines adyacentes, sino
que tambin afectan al resto del chip por medio del plano de
conduccin, los caminos posibles. Sabemos bien que este fenmeno se
llama acople capacitivo y trae asociadas una serie de consecuencias
que perjudican el funcionamiento del dispositivo.
Campo Magntico
Figura 15. Campo magntico debido al puerto 1 @60Hz
Figura 16. Campo magntico debido al puerto 2 @60Hz
Figura 17. Campo magntico debido al puerto 1 @6GHzEl campo
magntico tambin aporta al acoplamiento dentro del dispositivo, se
conoce como acople inductivo, si observamos las grficas a 60Hz
podemos ver como el campo magntico se distribuye a los largo del
pin y tiene mayor concentracin en la conexin interna del pin ya que
es un alambre y este fluye alrededor del mismo. Vemos como este
campo magntico se esparce en todo el interior del chip. Cuando
observamos el Campo magntico a 6GHz tambin es atenuado y se
concentra ms alrededor del alambre por el cual fluye la corriente.
Se puede ver como el campo magntico incide completamente en las
conexiones adyacentes lo cual es perjudicial para el circuito,
creando as acoplamiento inductivo.
Figura 18. Campo magntico debido al puerto 2 @6GHZ
Figura 19. Densidad de Energa Elctrica @6GHzEn la figura
anterior, se puede apreciar como el campo elctrico afecta al resto
del chip cuando se opera a una frecuencia de 6GHz, lo que no es
deseable para un ambiente electromagntico.Observando los resultados
de parmetros S, podemos decir que el mejor rango de frecuencias
para operar de manera ptima puede ser hasta los 1.5 GHz que se
mantienen por debajo de los -15 dB, incluso hasta los 3 GHz pero
luego de all la interferencia es mayor, ya que los parmetros mutuos
se van incrementando.En diseo es recomendable, primero, que los
conductores deben tener la estructura ms uniforme posible, radial
en el mejor de los casos, esto para que no exista delay entre las
seales que entran o salen del chip. Segundo, que los alambres que
conectan los puertos internos de los pines deben ser lo ms corto
posibles de tal manera que no se conviertan en antenas y radien a
los dems conductores y les induzcan corrientes parasitas. Para
nadie es un secreto las consecuencias que traen estas
interferencias electromagnticas, pueden afectar la integridad de la
seal, lecturas errneas, si llegase a haber conmutacin en alguna
seal de entrada, estos flancos puede afectar gravemente al
dispositivo, por ello debe cuidarse el rango de frecuencias en el
que se trabaja y siempre tener protegidos los circuitos.
