如何構建DIY放大器

一、什么是 D類放大器?

什么是 D類音頻功率放大器?用一個通俗易懂的話來說就是：D類音頻功率放大器就是一個開關放大器。

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。

傳統放大器，例如：AB類，作為線性設備運行。將這個與開關放大器進行比較，之所以這么命名是因為功率晶體管(MOSFET)的作用類似于開關，將其狀態從關閉變為開啟。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)。

你可以在下面看到基本 PWM D 類放大器的框圖，就像我們正在構建的那樣。

PWM D 類放大器的框圖

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，但在這里，我們將使用 PWM。

二、使用比較器進行脈寬調制

在下圖中，你可以看到怎么將通過將正弦信號(輸入)與三角形信號進行比較，將其轉換為矩形信號。

使用比較器進行脈寬調制

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，所以我們希望三角形信號的頻率至少比人類聽覺上限 20KHz 高 10 倍。

三、功率級

雖然理論上這樣的，但是實踐起來不一定行得通，如果想將前面的框圖真正地應用到實踐中，就會發現一些問題。

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。

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時間。實現此目的的一種方法是使用專用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。

四、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。

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。這意味著我們想要達到的信號不會被衰減太多。

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

這些是用于計算電感和電容值的公式：

L=RL√2/2?π?fc

C=1/2√2?π?fc?RL

五、構建 DIY 放大器

在前面已經介紹了D類放大器的工作原理，現在自己來構建一個D類放大器。

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。

下面可以看到設計的放大器的示意圖。它基于IRAUDAMP1參考設計。主要區別在于，我的不是 ΔΣ 調制，而是使用 PWM。

構建 DIY 放大器

下面是D 類放大器的設計選擇以及電路配合，先從左側開始。

1、輸入電路

對于輸入電路，先使用高通濾波器，然后使用低通濾波器。

三角波發生器

2、三角波發生器

對于三角波發生器，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。

電阻和電容的值設置了大約 200kHz 的頻率。高于此值，電路就可能會有問題，因為比較器和 MOSFET 驅動器不是最快的設備。

三角波發生器

3、比較器

對于比較器，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。如果你想使用其他 IC，請注意檢查引腳是否匹配，不然的話，就不得不修改 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，因此得使用真正的比較器。

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，所以這里使用 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 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。

這個比較器由 5V 雙極電源供電，由兩個穩壓二極管提供，用于調節來自主電源的電壓，即 ±30V。

比較器

4、MOSFET 驅動器

對于 MOSFET 驅動器，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上面談到的死區時間。

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 C10 的幫助下提供此驅動電壓。

MOSFET 驅動器

5、過濾器

最后是過濾器，截止頻率為 40kHz，負載電阻為 4 Ω，因為我們有一個 4 Ω的揚聲器(這里使用的值也適用于 8 Ω的揚聲器，但最好根據揚聲器調整濾波器)。

有了這些信息，我們可以計算電感和電容的值：

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

最接近的標準值為 680nF。

六、構建 DIY 放大器注意事項

1、低通濾波器

對于低通濾波器，你可以使用 680nF 的電容以盡可能接近計算值，但你也可以使用 1μF 的電容，沒有任何問題(這里設計 PCB 時可以使用兩個電容并聯)。

這些電容必須是聚丙烯或聚酯——一般來說，將陶瓷電容用于音頻信號并沒有很好，并且你需要確保用于過濾的電容額定為高壓，至少 100VAC(更多不會造成傷害)。設計中的其余電容也需要具有適當的額定電壓。

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

沒有必要，但強烈建議將BD241C使用散熱器，因為它會變得非常熱。

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，可加快開關速度，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。可以使用IRF640N，但 RDS (on) 明顯更高，導致放大器效率較低，這是一個比較這三個 MOSFET 的表格：