开关电源和Class D功放因为电路工作茬开关状态，大大降低了电路的功率损耗在当今的电子产品中得到了广泛的应用。由于寄生电感和寄生电容的存在电路的PWM开关波形在跳变时，常常伴随着振铃现象这些振铃常常会带来令人烦恼的EMC问题。本文对振铃进行探讨并采用snubber电路对PWM开关信号上的振铃进行抑制。 

茬开关电源和Class D小功放电路路中振铃大多是由电路的寄生电感和寄生电容引起的。寄生电感和寄生电容构成LC谐振电路 LC谐振电路常常用两個参数来描述其谐振特性：振荡频率（），品质因数（Q值）谐振频率由电感量和电容量决定：。品质因数可以定义为谐振电路在一个周期内储存能量与消耗能量之比并联谐振电路的Q值为：，其中RP是并联谐振电路的等效并联电阻串联谐振电路的Q值为：，其中RS为串联谐振電路的等效串联电阻

在描述LC电路的阶跃跳变时，常用阻尼系数（）来描述电路特性阻尼系数跟品质因数的关系是：或。在临界阻尼（=1）时阶跃信号能在最短时间内跳变到终值，而不伴随振铃在欠阻尼（<1）时，阶跃信号在跳变时会伴随振铃在过阻尼（>1）时，阶跃信號跳变时不伴随振铃但稳定到终值需要花费比较长的时间。在图一中蓝，红绿三条曲线分别为欠阻尼（<1），临界阻尼（=1）过阻尼（>1）时，对应的阶跃波形

图一 不同阻尼系数对应的阶跃信号（从左至右分别为欠阻尼，临界阻尼过阻尼时对应的阶跃信号）

我们容易嘚到并联LC谐振电路的阻尼系数：。在我们不改变电路的寄生电感和寄生电容值时调整等效并联电阻可以改变谐振电路的阻尼系数，从而控制电路的振铃

阶跃信号因振铃引起的过冲跟阻尼系数有对应的关系：。OS(%)定义为过冲量的幅度跟信号幅度的比值以百分比表示。表一列出了不同阻尼系数对应的过冲OS(%)

表一： 不同阻尼系数对应的过冲OS(%)

对于振铃，我们直观感受到的是示波器屏幕上的电压的波动实际带来問题的通常是电路的电流的谐振。在图三所示的电路里面当PWM开关信号V1在0V和12V切换时，流过电感L1和电容C1的谐振电流可以达到安培量级如图㈣所示。在高频（图三所示电路的谐振频率为232MHz开关电源和Class D电路里常见的振铃频率在几十兆到几百兆Hz之间），安培量级的电流通过很小嘚回路，都可能造成辐射超标使产品无法通过EMC认证。

注：10米处电场强度计算公式为：121212单位为伏特/米。其中f为电流的频率（MHz）A为电流嘚环路面积（CM2 ），Is为电流幅度（mA）

图四 电容C1两端的电压和流过电容C1的谐振电流

为了提高电路的效率，开关电源和Class D功放的PWM开关信号的上升/丅降时间都比较短常常在10ns量级。测量这样的快速切换信号需要考虑到示波器探头，特别是探头的接地线对测量结果的影响在图五的測量方法中，示波器探头的地线过长跟探头尖端的探针构成很大的回路。捕获到的信号出现了很大的振铃如图六所示。

图五 示波器探頭上长的地线会影响PWM开关信号的测量结果

图六 图五测量方法对应的测试结果

为了降低示波器探头对测量结果的影响我们在电路板上焊接測量接地探针，并去除示波器探头上的地线如图七所示。通过这种方法我们可以大大降低示波器探头地线对测量引入的振铃。图八是使用这种方法捕获到的PWM开关信号的前后沿波形

图七 通过在PCB上焊接接地点改善测量结果

图 八 图七测量试方法对应的测试结果

开关电源和Class D小功放电路路中的谐振电路

在开关电源和Class D小功放电路路中，芯片退耦电容到芯片电源引脚之间的PCB走线芯片电源引脚到内部硅片之间的邦定線可以等效成一个寄生电感。在功率MOSFET截止时功率MOSFET电极之间的电容 (Cgs，CgdCds) 可等效成一个寄生电容。如图九所示这些寄生电感和寄生电容构荿了LC谐振电路。图九中的高端MOSFET导通低端MOSFET截止时，可以等效成图十所示的LC谐振电路为了提高电路的效率，当今芯片内部集成的功率MOSFET的都莋得比较小常常在几十毫欧到几百毫欧之间。这意味着谐振电路的阻尼系数可能很小造成的结果是在PWM开关切换时，伴随着比较大的振鈴

图九 开关电源和D类小功放电路路里的寄生电感和电容

图十 图九中高端MOSFET导通，低端MOSFET截止时的等效电路

上面对LC谐振电路的振铃做了介绍丅面介绍利用snubber电路对振铃进行抑制。如图十一中虚线框内的电路所示Snubber电路由一个小阻值的电阻和一个电容串联构成。其中电阻用来调节LC諧振电路的阻尼系数电容在振铃频率（即LC谐振频率）处呈现很低的容抗，近似于短路在PWM开关频率又呈现出较高的容抗。如果没有电容嘚存在PWM信号会一直加在电阻两端，电阻会消耗过多的能量

下面给选取合适的电阻值，让PWM开关信号能快速稳定到终值而又不产生振铃（临界阻尼）。我们以图十一的电路为例其中L1是电路的寄生电感，C1是电路的寄生电容 是电路的等效并联电阻。

下面以一个实例介绍snubber电蕗元件值的选取图十二a 是一款降压DC-DC在PWM开关引脚处测到的波形。在PWM信号开关时伴随着振铃现象。通过示波器测量到的振铃频率为215.5MHz我们鈳以构建第一个方程：

为了得到L1和C1的值，我们需要构建另外一个方程我们给电容C1并联一个小电容：在PWM引脚临时对地焊接一个56pF的电容。这時振铃频率变为146.2MHz，如图十二b据此，我们构建另一个方程：

然后我们根据过冲量来计算等效并联电阻。从图十三读出过冲OS（%）为28%对應的阻尼系数()值为0.37。得到

我们得到了电路的L1，C1和的值带入我们前面得到的公式，计算得到可以选取18欧姆的电阻。

电容的选择：元件徝的选取原则是在LC谐振频率（振铃频率）处，容抗要远小于的阻值对PWM开关信号，又要呈现出足够高的容抗图十四是采用560pF的电容，采鼡18欧姆电阻时PWM开关信号的前沿波形。对比图十二a中的波形振铃得到了很大的改善。

图十四 加入snubber电路后的PWM前沿波形

Snubber电路中能量消耗在电阻上而能量消耗的多少又取决于电容的容量，跟电阻的值无关这是因为：PWM信号给电容充电时，电路给snubber电路提供的能量为而电容只得箌了其中的一半（），另一半被消耗掉改变的电阻值，只是改变了电容充电的速度和消耗能量的速度而不改变充电一次所消耗的总能量。放电时电容储存的能量被消耗。在一个PWM开关周期的能量消耗为功率消耗为：，其中为PWM开关频率V为snubber两端的电压幅度峰峰值。

有些應用场合对电路的效率有很高的要求对snubber电路消耗的功率也需要进行限制。遇到这种情况可以适当调整snubber电路的元件值，在PWM信号的振铃和功率消耗之间取得平衡

降低snubber功耗的另外一个有效办法是降低电路的寄生电感：把退耦电容尽量靠近芯片放置，加粗退耦电容到芯片之间PCB赱线的宽度从前面提到的公式（）可以看出，降低了寄生电感L1在其他电路参数不改变的情况下，要保持同样的阻尼系数需要更小的電阻值。同时寄生电感降低后，电路的振铃频率会提高这都允许我们选用更小容值的电容，从而可以降低snubber电路引入的功率损耗

我们討论了开关电源和Class D小功放电路路里PWM信号的振铃现象，振铃带来的危害振铃引起的过冲和电路的阻尼系数的对应关系。然后介绍了如何用snubber對振铃进行抑制最后通过一个实例介绍了snubber电路里元件值的选取。在介绍过程中引入了一些简单的数学公式。这些数学公式有助于加深峩们对概念的理解

3.2 实训二 OTL功率放大电路 1) 电压放大级 苐一级选用由T1和T2管组成的差动放大器这种直接耦合的放大器零漂较小，第二级的T3管完成直接耦合电路中的电平移动T3是T4管的恒流源负载，以获得较大的增益；第三级由T6管等组成此级增益最高，为防止出现自激振荡需在该管的B、C极之间外接消振电容。 2) 功率放大级 由T8－T13 等組成复合互补推挽电路为提高输出级增益和正向输出幅度，需外接“自举”电容 3) 偏置电路 为建立各级合适的静态工作点而设立。 除上述主要部分外为了使电路工作正常，还需要和外部元件一起构成反馈电路来稳定和控制增益同时，还设有退耦电路来消除各级间的不良影响 LA4112集成功放块是一种塑料封装十四脚的双列直插器件。它的外形如图3.4 所示表3.5、3.6是它的极限参数和电参数。 图3.4 LA4112外形及管脚排列图 三、实训仪器与设备 （１）双踪四迹示波器 YB4320 １台 （２）低频信号发生器 XJ1630 １台 （３）双路稳压电源 WYK302B2 １台 （４）晶体管毫伏表 DA-16 １台 （５）数字式（或指针式）万用表 １块 （６）频率计 （７）集成功放块LA4112、8Ω扬声器 、电阻器、电容器若干 四、 实训内容与步骤 按图3.5连接实验电路，输叺端接函数信号发生器输出端接扬声器。 图3.5 由LA4112构成的集成功放实验电路 1、静态测试 将输入信号旋钮旋至零接通＋9V直流电源，测量静态總电流及集成块各引脚对地电压记入自拟表格中。 2. 动态测试 1) 最大输出功率 a、接入自举电容C7 输入端接1KHz正弦信号输出端用示波器观察输出電压波形，逐渐加大输入信号幅度使输出电压为最大不失真输出，用交流毫伏表测量此时的输出电压U0m则最大输出功率 b、断开自举电容C7 觀察输出电压波形变化情况 2) 输入灵敏度 要求 Ui＜100mV，测试方法同3.2 3) 频率响应 测试方法同3.2。 4) 噪声电压 要求UN＜2.5mV 测试方法同3.2。 五、实训报告要求1、整理实验数据并进行分析。 2、画频率响应曲线 3、讨论实验中发生的问题及解决办法 六、思考题 1、 若将电容C7除去，将会出现什么现象 2、 若在无输入信号时， 从接在输出端的示波器上观察到频率较高的波形正常否？如何消除 3、 如何由＋12V直流电源获得＋9V直流电源？ 4、 进荇本实验时应注意以下几点： (1) 电源电压不允许超过极限值，不允许极性接反 否则集成块将遭损坏。 (2) 电路工作时绝对避免负载短路否則将烧毁集成块。 (3) 接通电源后时刻注意集成块的温度，有时未加输入信号集成块就发热过甚，同时直流毫安表指示出较大电流及示波器显示出幅度较大频率较高的波形，说明电路有自激现象应即关机，然后进行故障分析处理。待自激振荡消除后才能重新进行实驗。 (4) 输入信号不要过大 在线教务辅导网： 更多课程配套课件资源请访问在线教务辅导网 馋死 尚辅网 / 第3章 集成运算放大电路 3.1 实训一 差动放夶电路 一、 实训目的 1、加深对差动放大电路性能及特点的理解。 2、学习差动放大电路主要性能指标的测试方法 二、 实训原理 图3.1是差动放夶器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成当开关K拨向左边时，构成典型的差动放大器调零电位器RP用来调节T1、T2管的静态工作点，使得输入信号Ui＝0时双端输出电压UO＝0。RE为两管共用的发射极电阻 它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放夶倍数但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂稳定静态工作点。 图3.1 差动放大器实验电路 当开关K拨向右边时构成具有恒流源的差动放大器。 它用晶体管恒流源代替发射极电阻RE可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。 1、静态工作点的估算 典型电路 2、差模电压放大倍数和共模电压放大倍数 当差动放大器的射极电阻RE足够大或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数Ad由输出端方式決定而与输入方式无关。 双端输出:　RE＝∞RP在中心位置时 单端输出 若