如何构建DIY放大器

一、什么是 D类放大器?

什么是 D类音频功率放大器?用一个通俗易懂的话来说就是：D类音频功率放大器就是一个开关放大器。

但是如果要完全理解D类音频功率放大器的工作原理，还需要更加深入的了解。

传统放大器，例如：AB类，作为线性设备运行。将这个与开关放大器进行比较，之所以这么命名是因为功率晶体管(MOSFET)的作用类似于开关，将其状态从关闭变为开启。这允许非常高的效率，高达 80 - 95%。因此，放大器不会产生大量热量，也不需要像线性 AB 类放大器那样的大散热器。相比之下，B 类放大器只能达到78.5%的最大效率(理论上)。

你可以在下面看到基本 PWM D 类放大器的框图，就像我们正在构建的那样。

PWM D 类放大器的框图

使用比较器将输入信号转换为脉宽调制的矩形信号。这基本上意味着输入被编码为矩形脉冲的占空比。矩形信号被放大，然后低通滤波器产生原始模拟信号的更高功率版本。

还有其他将信号转换为脉冲的方法，例如 ΔΣ(delta-sigma)调制，但在这里，我们将使用 PWM。

二、使用比较器进行脉宽调制

在下图中，你可以看到怎么将通过将正弦信号(输入)与三角形信号进行比较，将其转换为矩形信号。

使用比较器进行脉宽调制

在正弦波的正峰值处，矩形脉冲的占空比为 100%，而在负峰值处为 0%。三角信号的实际频率要高得多，大约为数百 kHz，以便我们以后可以提取原始信号。

一个真正的滤波器，不是一个理想的滤波器，没有从通带到阻带的完美“砖墙”过渡，所以我们希望三角形信号的频率至少比人类听觉上限 20KHz 高 10 倍。

三、功率级

虽然理论上这样的，但是实践起来不一定行得通，如果想将前面的框图真正地应用到实践中，就会发现一些问题。

两个问题是功率级中器件的上升和下降时间，以及我们使用 NMOS 晶体管作为高端驱动器。

因为 MOSFET 的开关不是瞬间完成的，而更像是上下山，晶体管的导通时间会重叠，从而在正负电源轨之间形成低阻抗连接。这会导致高电流脉冲通过我们的 MOSFET，从而导致故障。

为了防止这种情况，我们需要在驱动高端和低端 MOSFET 的信号之间插入一些死区时间。实现此目的的一种方法是使用 专用MOSFET 驱动器，例如 IR2110S或 IR2011S。此外，这些 IC 提供高侧 NMOS 所需的升压栅极电压。

四、低通滤波器

对于滤波阶段，最好的方法之一是使用巴特沃斯滤波器。

低通滤波器

这些类型的滤波器在通带中具有非常平坦的响应。这意味着我们想要达到的信号不会被衰减太多。

我们想要过滤高于 20 kHz 的频率。截止频率计算为 -3dB，因此我们希望它更高一点，以免过滤我们想听到的声音。最好选择 40 到 60 kHz 之间的值。品质因数：Q=1/√2Q

这些是用于计算电感和电容值的公式：

L=RL√2/2⋅π⋅fc

C=1/2√2⋅π⋅fc⋅RL

五、构建 DIY 放大器

在前面已经介绍了D类放大器的工作原理，现在自己来构建一个D类放大器。

因为散热器几乎不会变热，与 AB 类放大器相反，如果不主动冷却，其散热器会变得非常热。

下面可以看到设计的放大器的示意图。它基于IRAUDAMP1参考设计。主要区别在于，我的不是 ΔΣ 调制，而是使用 PWM。

构建 DIY 放大器

下面是D 类放大器的设计选择以及电路配合，先从左侧开始。

1、输入电路

对于输入电路，先使用高通滤波器，然后使用低通滤波器。

三角波发生器

2、三角波发生器

对于三角波发生器，我使用了 LMC555，它是著名的 555 芯片的 CMOS 变体。

电容的充电和放电会产生一个漂亮的三角形，它并不完美(它呈指数上升和下降)，但如果上升和下降时间相等，它就可以完美地工作。

电阻和电容的值设置了大约 200kHz 的频率。高于此值，电路就可能会有问题，因为比较器和 MOSFET 驱动器不是最快的设备。

三角波发生器

3、比较器

对于比较器，你可以使用任何你想要的组件——只需要快。这里使用了可用的 LM393AP。在 300ns 的响应时间上，它不是最快的，肯定可以改进，但它确实可以完成工作。如果你想使用其他 IC，请注意检查引脚是否匹配，不然的话，就不得不修改 PCB 设计。

理论上，运算放大器可以用作比较器，但实际上运算放大器是为其他类型的工作而设计的，因此得使用真正的比较器。

因为我们需要比较器的两个输出，一个用于高端驱动器，一个用于低端驱动器，所以这里使用 LM393AP。这是一个封装中的两个比较器，我们只需将输入交换为第二个比较器。

另一种方法是使用具有两个输出的比较器，例如 LT1016。这些设备可能会提供一些改进的性能，但它们也可能更昂贵。

这个比较器由 5V 双极电源供电，由两个稳压二极管提供，用于调节来自主电源的电压，即 ±30V。

比较器

4、MOSFET 驱动器

对于 MOSFET 驱动器，选择使用 IR2110。另一种选择是 IR2011，它用于参考设计。该集成电路确保添加了上面谈到的死区时间。

由于 IC 的 VSS 引脚连接到负电源，我们需要对来自比较器的信号进行电平转换。这是使用 PNP 晶体管和 1N4148 二极管完成的。

为了驱动 MOSFET，我们以 12V 参考负电源电压为 IR2110 供电，该电压是使用 BD241 和 12V 齐纳二极管产生的。

高侧 MOSFET 需要由高于开关节点 VS 约 12V 的栅极电压驱动，这需要高于正电源的电压，IR2110 在我们的自举电容 C10 的帮助下提供此驱动电压。

MOSFET 驱动器

5、过滤器

最后是过滤器，截止频率为 40kHz，负载电阻为 4 Ω，因为我们有一个 4 Ω的扬声器(这里使用的值也适用于 8 Ω的扬声器，但最好根据扬声器调整滤波器)。

有了这些信息，我们可以计算电感和电容的值：

L=4√2H/2⋅π⋅40000=22.508μH

我们可以安全地四舍五入到 22µH。

C=1F/2√2⋅π⋅40000⋅4=0.703μH

最接近的标准值为 680nF。

六、构建 DIY 放大器注意事项

1、低通滤波器

对于低通滤波器，你可以使用 680nF 的电容以尽可能接近计算值，但你也可以使用 1µF 的电容，没有任何问题(这里设计 PCB 时可以使用两个电容并联)。

这些电容必须是聚丙烯或聚酯——一般来说，将陶瓷电容用于音频信号并没有很好，并且你需要确保用于过滤的电容额定为高压，至少 100VAC(更多不会造成伤害)。设计中的其余电容也需要具有适当的额定电压。

上面设计这款放大器的输出功率约为 100-150W，你应该使用具有 ±30V 电压轨的双极电源。也可以高于此值，但对于大约 ±40V 的电压，需要确保将电阻 R4 和 R5 的值更改为 2K2。

没有必要，但强烈建议将BD241C使用散热器，因为它会变得非常热。

2、MOSFET

就功率 MOSFET 而言，建议使用IRF540N 或 IRFB41N15D。这些 MOSFET 具有低栅极电荷，可加快开关速度，低 R DS (on) 可降低功耗。你还需要确保 MOSFET 具有足够的最大 VDS(漏源电压)额定值。可以使用IRF640N，但 RDS (on) 明显更高，导致放大器效率较低，这是一个比较这三个 MOSFET 的表格：

MOSFET

3、电感

现在是电感，可以买一个已经做好的，但我建议你自己上一个——这毕竟是一个 DIY 项目。购买 T106-2 环形线圈，必须是铁粉。铁氧体可以工作，但它需要一个间隙，否则它会饱和。使用上述环形线圈，缠绕40匝直径为 0.8-1mm(AWG20-18)的铜漆包线 。

4、电阻

最后，除非注明(R4、R5)，否则所有电阻均为 1/4W。

七、测试

当设计 PCB 时，非常容易测试。输入信号有自己的连接器，有两个用于接地的铲形端子：一个用于电源，一个用于扬声器。

为了消除嗡嗡声(50/60 Hz，来自电源频率)，使用了星地配置，这意味着将所有接地(放大器接地、信号接地和扬声器接地)连接在同一点，最好是在整流器电路之后的电源 PCB 上。

审核编辑：汤梓红