一、什么是 D類放大器?

什么是 D類音頻功率放大器?用一個(gè)通俗易懂的話來(lái)說(shuō)就是：D類音頻功率放大器就是一個(gè)開(kāi)關(guān)放大器。

但是如果要完全理解D類音頻功率放大器的工作原理，還需要更加深入的了解。

傳統(tǒng)放大器，例如：AB類，作為線性設(shè)備運(yùn)行。將這個(gè)與開(kāi)關(guān)放大器進(jìn)行比較，之所以這么命名是因?yàn)楣β示w管(MOSFET)的作用類似于開(kāi)關(guān)，將其狀態(tài)從關(guān)閉變?yōu)殚_(kāi)啟。這允許非常高的效率，高達(dá) 80 - 95%。因此，放大器不會(huì)產(chǎn)生大量熱量，也不需要像線性 AB 類放大器那樣的大散熱器。相比之下，B 類放大器只能達(dá)到78.5%的最大效率(理論上)。

你可以在下面看到基本 PWM D 類放大器的框圖，就像我們正在構(gòu)建的那樣。

PWM D 類放大器的框圖

使用比較器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的矩形信號(hào)。這基本上意味著輸入被編碼為矩形脈沖的占空比。矩形信號(hào)被放大，然后低通濾波器產(chǎn)生原始模擬信號(hào)的更高功率版本。

還有其他將信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖的方法，例如 ΔΣ(delta-sigma)調(diào)制，但在這里，我們將使用 PWM。

二、使用比較器進(jìn)行脈寬調(diào)制

在下圖中，你可以看到怎么將通過(guò)將正弦信號(hào)(輸入)與三角形信號(hào)進(jìn)行比較，將其轉(zhuǎn)換為矩形信號(hào)。

使用比較器進(jìn)行脈寬調(diào)制

在正弦波的正峰值處，矩形脈沖的占空比為 100%，而在負(fù)峰值處為 0%。三角信號(hào)的實(shí)際頻率要高得多，大約為數(shù)百 kHz，以便我們以后可以提取原始信號(hào)。

一個(gè)真正的濾波器，不是一個(gè)理想的濾波器，沒(méi)有從通帶到阻帶的完美“磚墻”過(guò)渡，所以我們希望三角形信號(hào)的頻率至少比人類聽(tīng)覺(jué)上限 20KHz 高 10 倍。

三、功率級(jí)

雖然理論上這樣的，但是實(shí)踐起來(lái)不一定行得通，如果想將前面的框圖真正地應(yīng)用到實(shí)踐中，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題。

兩個(gè)問(wèn)題是功率級(jí)中器件的上升和下降時(shí)間，以及我們使用 NMOS 晶體管作為高端驅(qū)動(dòng)器。

因?yàn)?MOSFET 的開(kāi)關(guān)不是瞬間完成的，而更像是上下山，晶體管的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)重疊，從而在正負(fù)電源軌之間形成低阻抗連接。這會(huì)導(dǎo)致高電流脈沖通過(guò)我們的 MOSFET，從而導(dǎo)致故障。

為了防止這種情況，我們需要在驅(qū)動(dòng)高端和低端 MOSFET 的信號(hào)之間插入一些死區(qū)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)此目的的一種方法是使用 專用MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，例如 IR2110S或 IR2011S。此外，這些 IC 提供高側(cè) NMOS 所需的升壓柵極電壓。

四、低通濾波器

對(duì)于濾波階段，最好的方法之一是使用巴特沃斯濾波器。

低通濾波器

這些類型的濾波器在通帶中具有非常平坦的響應(yīng)。這意味著我們想要達(dá)到的信號(hào)不會(huì)被衰減太多。

我們想要過(guò)濾高于 20 kHz 的頻率。截止頻率計(jì)算為 -3dB，因此我們希望它更高一點(diǎn)，以免過(guò)濾我們想聽(tīng)到的聲音。最好選擇 40 到 60 kHz 之間的值。品質(zhì)因數(shù)：Q=1/√2Q

這些是用于計(jì)算電感和電容值的公式：

L=RL√2/2?π?fc

C=1/2√2?π?fc?RL

五、構(gòu)建 DIY 放大器

在前面已經(jīng)介紹了D類放大器的工作原理，現(xiàn)在自己來(lái)構(gòu)建一個(gè)D類放大器。

因?yàn)樯崞鲙缀醪粫?huì)變熱，與 AB 類放大器相反，如果不主動(dòng)冷卻，其散熱器會(huì)變得非常熱。

下面可以看到設(shè)計(jì)的放大器的示意圖。它基于IRAUDAMP1參考設(shè)計(jì)。主要區(qū)別在于，我的不是 ΔΣ 調(diào)制，而是使用 PWM。

構(gòu)建 DIY 放大器

下面是D 類放大器的設(shè)計(jì)選擇以及電路配合，先從左側(cè)開(kāi)始。

1、輸入電路

對(duì)于輸入電路，先使用高通濾波器，然后使用低通濾波器。

三角波發(fā)生器

2、三角波發(fā)生器

對(duì)于三角波發(fā)生器，我使用了 LMC555，它是著名的 555 芯片的 CMOS 變體。

電容的充電和放電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漂亮的三角形，它并不完美(它呈指數(shù)上升和下降)，但如果上升和下降時(shí)間相等，它就可以完美地工作。

電阻和電容的值設(shè)置了大約 200kHz 的頻率。高于此值，電路就可能會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)楸容^器和 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器不是最快的設(shè)備。

三角波發(fā)生器

3、比較器

對(duì)于比較器，你可以使用任何你想要的組件——只需要快。這里使用了可用的 LM393AP。在 300ns 的響應(yīng)時(shí)間上，它不是最快的，肯定可以改進(jìn)，但它確實(shí)可以完成工作。如果你想使用其他 IC，請(qǐng)注意檢查引腳是否匹配，不然的話，就不得不修改 PCB 設(shè)計(jì)。

理論上，運(yùn)算放大器可以用作比較器，但實(shí)際上運(yùn)算放大器是為其他類型的工作而設(shè)計(jì)的，因此得使用真正的比較器。

因?yàn)槲覀冃枰容^器的兩個(gè)輸出，一個(gè)用于高端驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)用于低端驅(qū)動(dòng)器，所以這里使用 LM393AP。這是一個(gè)封裝中的兩個(gè)比較器，我們只需將輸入交換為第二個(gè)比較器。

另一種方法是使用具有兩個(gè)輸出的比較器，例如 LT1016。這些設(shè)備可能會(huì)提供一些改進(jìn)的性能，但它們也可能更昂貴。

這個(gè)比較器由 5V 雙極電源供電，由兩個(gè)穩(wěn)壓二極管提供，用于調(diào)節(jié)來(lái)自主電源的電壓，即 ±30V。

比較器

4、MOSFET 驅(qū)動(dòng)器

對(duì)于 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，選擇使用 IR2110。另一種選擇是 IR2011，它用于參考設(shè)計(jì)。該集成電路確保添加了上面談到的死區(qū)時(shí)間。

由于 IC 的 VSS 引腳連接到負(fù)電源，我們需要對(duì)來(lái)自比較器的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這是使用 PNP 晶體管和 1N4148 二極管完成的。

為了驅(qū)動(dòng) MOSFET，我們以 12V 參考負(fù)電源電壓為 IR2110 供電，該電壓是使用 BD241 和 12V 齊納二極管產(chǎn)生的。

高側(cè) MOSFET 需要由高于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) VS 約 12V 的柵極電壓驅(qū)動(dòng)，這需要高于正電源的電壓，IR2110 在我們的自舉電容 C10 的幫助下提供此驅(qū)動(dòng)電壓。

MOSFET 驅(qū)動(dòng)器

5、過(guò)濾器

最后是過(guò)濾器，截止頻率為 40kHz，負(fù)載電阻為 4 Ω，因?yàn)槲覀冇幸粋€(gè) 4 Ω的揚(yáng)聲器(這里使用的值也適用于 8 Ω的揚(yáng)聲器，但最好根據(jù)揚(yáng)聲器調(diào)整濾波器)。

有了這些信息，我們可以計(jì)算電感和電容的值：

L=4√2H/2?π?40000=22.508μH

我們可以安全地四舍五入到 22μH。

C=1F/2√2?π?40000?4=0.703μH

最接近的標(biāo)準(zhǔn)值為 680nF。

六、構(gòu)建 DIY 放大器注意事項(xiàng)

1、低通濾波器

對(duì)于低通濾波器，你可以使用 680nF 的電容以盡可能接近計(jì)算值，但你也可以使用 1μF 的電容，沒(méi)有任何問(wèn)題(這里設(shè)計(jì) PCB 時(shí)可以使用兩個(gè)電容并聯(lián))。

這些電容必須是聚丙烯或聚酯——一般來(lái)說(shuō)，將陶瓷電容用于音頻信號(hào)并沒(méi)有很好，并且你需要確保用于過(guò)濾的電容額定為高壓，至少 100VAC(更多不會(huì)造成傷害)。設(shè)計(jì)中的其余電容也需要具有適當(dāng)?shù)念~定電壓。

上面設(shè)計(jì)這款放大器的輸出功率約為 100-150W，你應(yīng)該使用具有 ±30V 電壓軌的雙極電源。也可以高于此值，但對(duì)于大約 ±40V 的電壓，需要確保將電阻 R4 和 R5 的值更改為 2K2。

沒(méi)有必要，但強(qiáng)烈建議將BD241C使用散熱器，因?yàn)樗鼤?huì)變得非常熱。

2、MOSFET

就功率 MOSFET 而言，建議使用IRF540N 或 IRFB41N15D。這些 MOSFET 具有低柵極電荷，可加快開(kāi)關(guān)速度，低 R DS (on) 可降低功耗。你還需要確保 MOSFET 具有足夠的最大 VDS(漏源電壓)額定值?？梢允褂肐RF640N，但 RDS (on) 明顯更高，導(dǎo)致放大器效率較低，這是一個(gè)比較這三個(gè) MOSFET 的表格：

MOSFET

3、電感

現(xiàn)在是電感，可以買一個(gè)已經(jīng)做好的，但我建議你自己上一個(gè)——這畢竟是一個(gè) DIY 項(xiàng)目。購(gòu)買 T106-2 環(huán)形線圈，必須是鐵粉。鐵氧體可以工作，但它需要一個(gè)間隙，否則它會(huì)飽和。使用上述環(huán)形線圈，纏繞40匝直徑為 0.8-1mm(AWG20-18)的銅漆包線 。

4、電阻

最后，除非注明(R4、R5)，否則所有電阻均為 1/4W。

七、測(cè)試

當(dāng)設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，非常容易測(cè)試。輸入信號(hào)有自己的連接器，有兩個(gè)用于接地的鏟形端子：一個(gè)用于電源，一個(gè)用于揚(yáng)聲器。

為了消除嗡嗡聲(50/60 Hz，來(lái)自電源頻率)，使用了星地配置，這意味著將所有接地(放大器接地、信號(hào)接地和揚(yáng)聲器接地)連接在同一點(diǎn)，最好是在整流器電路之后的電源 PCB 上。

審核編輯：湯梓紅