強大的 D 類放大器 — 自己構建一個并對其效率感到驚訝。散熱器幾乎沒有變熱！

您是否一直想構建自己的音頻功率放大器？一個電子項目，您不僅可以看到結果，還可以聽到它們？

如果您的回答是肯定的，那么您應該繼續(xù)閱讀這篇關于如何構建自己的 D 類放大器的文章。我將向你解釋它們是如何工作的，然后一步一步地指導你讓魔法發(fā)生在你自己身上。

理論基礎

什么是 D 類音頻功率放大器？答案可能只是一句話：它是一個開關放大器。但是為了完全理解一個人的工作原理，我需要教你它的所有角落和縫隙。

讓我們從第一句話開始。傳統(tǒng)放大器，如 AB 類，作為線性設備運行。將此與開關放大器進行比較，之所以如此命名，是因為功率晶體管（MOSFET）的作用類似于開關，將其狀態(tài)從關閉變?yōu)殚_啟。這允許非常高的效率，高達 80 - 95%。因此，放大器不會產生大量熱量，也不需要像線性 AB 類放大器那樣的大散熱器。相比之下，B類放大器只能達到78.5%的最大效率（理論上）。

您可以在下面看到基本 PWM D 類放大器的框圖，就像我們正在構建的那樣。

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

還有其他將信號轉換為脈沖的方法，例如 ΔΣ（delta-sigma）調制，但在本項目中，我們將使用 PWM。

使用比較器進行脈寬調制

在下圖中，您可以看到我們如何通過將正弦信號（輸入）與三角形信號進行比較，將其轉換為矩形信號。

點擊放大

在正弦波的正峰值處，矩形脈沖的占空比為 100%，而在負峰值處為 0%。三角信號的實際頻率要高得多，大約為數百 kHz，以便我們以后可以提取原始信號。

一個真正的濾波器，不是一個理想的濾波器，沒有從通帶到阻帶的完美“磚墻”過渡，所以我們希望三角信號的頻率至少比人類聽覺上限 20KHz 高 10 倍。

功率級——理論上聽起來不錯

理論是一方面，實踐是另一方面。如果我們想將前面的框圖付諸實踐，我們會偶然發(fā)現一些問題。

兩個問題是功率級中器件的上升和下降時間，以及我們使用 NMOS 晶體管作為高端驅動器這一事實。

因為 MOSFET 的開關不是瞬間完成的，而更像是上下山，晶體管的導通時間會重疊，從而在正負電源軌之間形成低阻抗連接。這會導致高電流脈沖通過我們的 MOSFET，從而導致故障。

為了防止這種情況，我們需要在驅動高端和低端 MOSFET 的信號之間插入一些死區(qū)時間。實現此目的的一種方法是使用 International Rectifier （Infineon） 的專用 MOSFET 驅動器，例如IR2110S或IR2011S。此外，這些 IC 提供高側 NMOS 所需的升壓柵極電壓。

低通濾波器

對于濾波階段，最好的方法之一是使用巴特沃斯濾波器。

構建您的 DIY 放大器（Luke-The-Warm）

現在我們知道了 D 類放大器的工作原理，讓我們來構建一個。

首先，我將此放大器命名為 Luke-The-Warm，因為散熱器幾乎不會變熱，與 AB 類放大器相反，如果不主動冷卻，其散熱器會變得非常熱。

下面你可以看到我設計的放大器的示意圖。它基于 International Rectifier （Infineon） 的IRAUDAMP1參考設計。主要區(qū)別在于，我的不是 ΔΣ 調制，而是使用 PWM。

點擊放大

我現在將告訴您一些設計選擇以及組件如何相互配合。讓我們從左側開始。

輸入電路

對于輸入電路，我決定最好先使用高通濾波器，然后使用低通濾波器。就是這么簡單。

三角發(fā)生器

對于三角形發(fā)生器，我使用了 LMC555，它是著名的 555 芯片的 CMOS 變體。電容器的充電和放電會產生一個漂亮的三角形，它并不完美（它呈指數上升和下降），但如果上升和下降時間相等，它就可以完美地工作。

電阻器和電容器的值設置了大約 200kHz 的頻率。高于此值，我們就會遇到麻煩，因為比較器和 MOSFET 驅動器不是最快的設備。

比較器

對于比較器，你可以使用任何你想要的組件——它只需要快。我使用了可用的LM393AP。在 300ns 的響應時間上，它不是最快的，肯定可以改進，但它確實可以完成工作。如果您想使用其他 IC，請注意檢查引腳是否匹配，否則您將不得不修改 PCB 設計。

理論上，運算放大器可以用作比較器，但實際上運算放大器是為其他類型的工作而設計的，因此請確保使用實際的比較器。

因為我們需要比較器的兩個輸出，一個用于高端驅動器，一個用于低端驅動器，所以我決定使用 LM393AP。這是一個封裝中的兩個比較器，我們只需將輸入交換為第二個比較器。另一種方法是使用具有兩個輸出的比較器，例如凌力爾特公司的 LT1016。這些設備可能會提供一些改進的性能，但它們也可能更昂貴。

這些比較器由 5V 雙極電源供電，由兩個穩(wěn)壓二極管提供，用于調節(jié)來自主電源的電壓，即 ±30V。

MOSFET驅動器

對于 MOSFET 驅動器，我選擇使用 IR2110。另一種選擇是 IR2011，它用于參考設計。該集成電路確保添加了我在上一節(jié)中談到的死區(qū)時間。

由于 IC 的 VSS 引腳連接到負電源，我們需要對來自比較器的信號進行電平轉換。這是使用 PNP 晶體管和 1N4148 二極管完成的。

為了驅動 MOSFET，我們以 12V 參考負電源電壓為 IR2110 供電；該電壓是使用 BD241 和 12V 齊納二極管產生的。高側 MOSFET 需要由高于開關節(jié)點 VS 約 12V 的柵極電壓驅動。這需要高于正電源的電壓；IR2110 在我們的自舉電容器 C10 的幫助下提供此驅動電壓。

構建注意事項

現在您已經了解了內部工作原理，您所要做的就是仔細閱讀接下來的幾行，下載下面的文件，購買所需的組件，蝕刻 PCB，然后開始組裝。

低通濾波器

對于低通濾波器，您可以使用 680nF 的電容以盡可能接近計算值，但您也可以使用 1μF 的電容，沒有任何問題（我設計 PCB 時可以使用兩個電容并聯連連看）。

這些電容器必須是聚丙烯或聚酯——一般來說，將陶瓷電容器用于音頻信號并不是一個好主意。并且您需要確保用于過濾的電容器額定為高壓，至少 100VAC（更多不會造成傷害）。設計中的其余電容器也需要具有適當的額定電壓。

我設計這款放大器的輸出功率約為 100-150W。您應該使用具有 ±30V 電壓軌的雙極電源。您可以高于此值，但對于大約 ±40V 的電壓，您需要確保將電阻器 R4 和 R5 的值更改為 2K2。

沒有必要，但強烈建議您為BD241C使用散熱器，因為它會變得非常熱。

電感器

現在是電感。你可以買一個已經做好的，但我建議你自己上弦——這畢竟是一個 DIY 項目。

購買 T106-2 環(huán)形線圈。必須是鐵粉；鐵氧體可以工作，但它需要一個間隙，否則它會飽和。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 。就是這樣。如果它不完美，請不要擔心——只要把它弄緊。

電阻器

最后，除非注明（R4、R5），否則所有電阻均為 1/4W。

測試

當我設計 PCB 時，我做了它以便非常容易測試。輸入信號有自己的連接器，有兩個用于接地的鏟形端子：一個用于電源，一個用于揚聲器。

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

完整的物料清單可以在下面的文件中找到，您還可以在其中找到 PDF 格式和 KiCAD 文件的 PCB 文件。