HF-Störspannungsfestigkeit messen

Einstrahlfestigkeit von OPV-Schaltungen bis 3 GHz absichern

16.06.2008 | Autor / Redakteur: Gunter Langer* / Hendrik Härter

Bild 1: Automatischer Messplatz Probe P500 für die DPI-Meßmethode IEC 62132-4 und DPI-BISS mit 6,8 nF
Bild 1: Automatischer Messplatz Probe P500 für die DPI-Meßmethode IEC 62132-4 und DPI-BISS mit 6,8 nF

Operationsverstärker (OPV) sind im Einsatz elektromagnetischen Störungen ausgesetzt. Deshalb ist es in der Praxis wichtig, ihre Grenzparameter genau zu bestimmen, um spätere EMV-Effekte auszuschließen. Langer EMV hat ein Verfahren entwickelt, das eine OPV-Schaltung als invertierenden Verstärker betreibt.

Beim Einbau eines bipolaren OPV in eine Automobilelektronik traten während des EMV-Prüfverfahrens über 100 V/m Einstrahlung eine Demodulierung der HF-Störsignale auf. Diese verursachten ein Fehlverhalten in der Elektronik. Durch eine geschickte Auswahl eines OPV mit einer höheren HF-Verträglichkeit kann ein solcher zu erwartender Fehler schon in der Planungsphase vermieden werden. Denn OPV ICs besitzen in Abhängigkeit von IC-Hersteller unterschiedliche Einstrahlfestigkeiten. Auch die IC-Hersteller haben schon Gegenmaßnahmen in den ICs integriert, um die Einstrahlfestigkeit zu erhöhen.

Trotz der genannten Maßnahmen muss der Entwicklungsingenieur den OPV vor zu hoher HF-Beeinflussung auf der Baugruppe schützen. Damit dieser HF-Schutz auch optimal geplant werden und der IC-Hersteller genauere und brauchbare Entwicklungsparameter ermitteln kann, sollte eine neuere Messmethode diesen beiden Nutzergruppen gleichermaßen dienen:

  • IC-Hersteller verbessern ihre ICs und
  • IC-Anwender zur IC-Auswahl oder zur EMV-gerechten IC-spezifischen Schaltungsentwicklung.

Die Firma Langer sollte für eine Anwendung in der Automobiltechnik zwei ASIC mit OPV in ihrer Einstrahlfestigkeit bis 3 GHz bewerten. Für die Erfüllung dieser Aufgabenstellung wurde folgendes Messverfahren entwickelt: Die OPV-Schaltung wurde als invertierender Verstärker betrieben. Bei ausreichender Verstärkung wird eine Demodulation an der Eingangs-Basis-Emitterdiode in einen messtechnisch bequem zu erfassenden Pegelbereich gehoben. Der Störgenerator mit den erforderlichen Eigenschaften wird aus dem in der Praxis vorliegenden Wirkmechanismen abgeleitet.

Magnetfeld dringt in niederimpedante Schleifen ein

Bei der Störeinstrahlung dringt die HF mit ihrem Magnetfeld in die vorhandenen niederimpedanten Schleifen ein. Bei entsprechenden hohen Frequenzen schließen sich diese Schleifen über die Kapazitätsbeläge der Leiterzüge. Um diesen Effekt zu simulieren, wird ein niederimpedanter Generator direkt an den IC-Eingang angeschlossen. Eine entsprechende Entkopplung zum Nutzsignal (Gegenkoppel-Widerstand) musste über einen Entkoppelkondensator hergestellt werden. Mit dem niederimpedanten Generator konnte damit die im IC integrierten EMV-Maßnahmen (EMV-Kondensatoren) und deren mehr oder weniger gute HF-technische Umsetzung bewertet werden.

Hochimpedanter Generator bei externen Vorwiderstand

Ist ein externer Vorwiderstand vorhanden, erhöht dieser die Störfestigkeit gegenüber leitungsgeführte Störgrößen. Integrierte EMV-Kondensatoren, die HF-technisch bei Prüfung mit niederimpedantem Generator schlecht abschneiden, werden in Verbindung mit diesem Vorwiderstand eine bedeutend bessere Wirkung aufweisen. Um diese beschriebene Eigenschaft zu prüfen, musste ein hochimpedanter Generator verwendet werden.

Für die Umsetzung der beschriebenen Messaufgaben wurden die dazugehörigen Generatoren entwickelt und eingesetzt:

  • Niederimpedanter Generator: 1 R Innenwiderstand, Frequenzbereich 10 MHz bis 3 GHz
  • Hochimpedanter Generator: 1 k Innenwiderstand, Frequenzbereich 10 MHz bis 3 GHz

Die Generatoren wurden durch Modifikation schon vorhandener Probe Typ P501 und P502 entwickelt. Bild 1 zeigt einen automatischen Messplatz Probe P500 für DPI-Meßmethode IEC 62132-4 und DPI-BISS mit 6,8 nF von Langer. Mit dem automatischen Messplatz P500 und der zugehörigen Steuersoftware XQC-ProbeControl sowie den Generatoren wurden die Frequenzgänge gemessen und anschließend dokumentiert.

Spannungsmesser bestimmt HF-Spannung

Bild 2: Generatorspannung-UG zwei verschiedener Testobjekte
Bild 2: Generatorspannung-UG zwei verschiedener Testobjekte

Der OPV-IC (DUT) befindet sich auf einer Adapterleiterkarte, die in eine Metallfläche (GND-Plane) eingelassen ist. Der niederimpedante oder hochimpedante Generator wird auf die Metallfläche aufgesetzt und mit den entsprechenden IC-Pin kontaktiert. In der Generator-Probe befindet sich ein Spannungsmesser, der die HF-Spannung (Generatorspannung-UG) bestimmt. Im Testaufbau wurde UG so weit erhöht, bis 10 mVeff Demodulationsspannung erreicht wurde. Die Messergebnisse sind in Bild 2 dargestellt. Mit steigender Frequenz steigt die Wirkung von den integrierten HF-Filterkondensatoren im unteren Frequenzbereich.

Die Messung mit dem 1-R-Generator zeigt für den OPV IC Nummer 1 eine bessere HF-Festigkeit bis 1,5 GHz. Das deutet auf einen größeren integrierten EMV-Kondensator oder eine bessere Verschaltung des ICs hin. Über 1 GHz wird die HF-Stromaufteilung von den Leitungsinduktivitäten bestimmt. Der 1k Generator liefert naturgemäß bessere Werte. Das stabile HF-Verhalten vom OPV IC Nummer 1 ist ebenfalls in höheren Frequenzen nachweisbar, was evtl. zu einer besseren Verschaltung der Kapazität führt. Dieses Verhalten des OPV IC wurde in der eingebauten Elektronik im EMV-Test bestätigt.

Bild 3: Schematischer Testaufbau
Bild 3: Schematischer Testaufbau

Die mit dem Messplatz Probe 500 erzielten Messergebnisse erbrachten für die Entwicklungsingenieure genauere Informationen für eine weitere Optimierung des internen IC-Layoutes. Dass diese Informationen die HF-Störfestigkeit des OPV-IC-Musters verbessert haben, konnte mit einer erneuten Messreihe des Nachfolgemodels nachgewiesen werden. Der IC-Nutzer brauchte seinen Zulieferer nicht wechseln. Die mit dieser IC-Baureihe gewonnen Erfahrungen konnten jetzt weiter genutzt werden.

*Gunter Langer ist Geschäftsführer bei Langer EMV-Technik in Bannewitz.

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