學(xué)習(xí)如何自制D類功率放大器——聆聽音樂最高效的方式之一。
強大的D類放大器——自己動手制作一個，感受它的高效。散熱器幾乎不會發(fā)熱！

你是否一直想自制音頻功率放大器？一個既能親眼見證結(jié)果，又能親耳聆聽其音效的電子項目？

如果你的答案是肯定的，那么你應(yīng)該繼續(xù)閱讀本文，了解如何自制D類放大器。我將向你解釋它們的工作原理，并一步步指導(dǎo)你親自創(chuàng)造奇跡。

理論基礎(chǔ)
什么是D類音頻功率放大器？答案可能只有一句話：它是一種開關(guān)放大器。但為了全面了解其工作原理，我需要向你介紹它的所有細節(jié)。

先從第一句話開始。傳統(tǒng)放大器，如AB類放大器，作為線性器件運行。相比之下，開關(guān)放大器之所以這樣命名，是因為功率晶體管（即MOSFET）像開關(guān)一樣工作，狀態(tài)從關(guān)閉切換到開啟。這使得其效率非常高，高達80%至95%。因此，該放大器不會產(chǎn)生大量熱量，也不需要像線性AB類放大器那樣使用大型散熱器。相比之下，B類放大器的最大效率在理論上只能達到78.5%。

下面你可以看到我們正在制作的基本PWM D類放大器的框圖。

輸入信號通過比較器被轉(zhuǎn)換成脈沖寬度調(diào)制（PWM）的矩形信號。這基本上意味著輸入被編碼到矩形脈沖的占空比中。矩形信號被放大后，再經(jīng)過低通濾波器，最終得到原始模擬信號的高功率版本。

還有其他將信號轉(zhuǎn)換為脈沖的方法，如ΔΣ（增量-求和）調(diào)制，但在這個項目中，我們將使用PWM。

使用比較器的脈沖寬度調(diào)制
在下面的圖表中，你可以看到我們是如何將正弦波信號（輸入）與三角波信號進行比較，從而將其轉(zhuǎn)換為矩形信號的。

點擊放大

在正弦波的正峰值處，矩形脈沖的占空比為100%，而在負峰值處則為0%。三角波信號的實際頻率要高得多，通常在數(shù)百kHz的范圍內(nèi)，以便我們稍后能夠提取出原始信號。

真實的濾波器（而非理想濾波器）在從通帶到阻帶的過渡中并不具有完美的“磚墻”特性，因此我們希望三角波信號的頻率至少比人類聽覺上限的20KHz高10倍。

功率級——理論上聽起來不錯

理論是一回事，實踐又是另一回事。如果我們想將前面的框圖付諸實踐，就會遇到一些問題。

其中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(qū)動器的事實。

因為MOSFET的開關(guān)不是瞬間完成的，而是更像是在上坡和下坡之間移動，所以晶體管的導(dǎo)通時間會有重疊，從而在正電源軌和負電源軌之間形成低阻抗連接。這會導(dǎo)致高電流脈沖通過我們的MOSFET，從而可能導(dǎo)致其損壞。

為了防止這種情況，我們需要在驅(qū)動高端和低端MOSFET的信號之間插入一些死區(qū)時間。實現(xiàn)這一目的的一種方法是使用國際整流器（Infineon）公司的專用MOSFET驅(qū)動器，如IR2110S或IR2011S。此外，這些集成電路還為高端NMOS提供了所需的柵極升壓電壓。

低通濾波器

在濾波階段，實現(xiàn)這一目標的最佳方式之一是使用巴特沃斯濾波器。

這種類型的濾波器在通帶中具有非常平坦的響應(yīng)。這意味著我們想要實現(xiàn)的信號不會被過度衰減。

我們希望濾除高于20kHz的頻率。截止頻率是在-3dB處計算的，因此我們希望它稍高一些，以便不會濾除我們想要聽到的聲音。最好在40kHz到60kHz之間選擇一個值。品質(zhì)因數(shù)（Quality Factor）

以下是用于計算電感器和電容器值的公式：

打造您自己的DIY放大器（Luke-The-Warm）

既然我們已經(jīng)了解了D類放大器的工作原理，那么現(xiàn)在我們就來動手制作一個吧。

首先，我將這個放大器命名為Luke-The-Warm，因為與如果不進行主動冷卻可能會變得非常熱的Class AB放大器相比，它的散熱器只會微微發(fā)熱。

下面您可以看到我設(shè)計的放大器的示意圖。它是基于國際整流器（Infineon）的IRAUDAMP1參考設(shè)計。主要區(qū)別在于，我使用了PWM而不是ΔΣ（增量-求和）調(diào)制。

現(xiàn)在，我將告訴您一些設(shè)計選擇以及各組件如何協(xié)同工作。讓我們從左側(cè)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，然后再使用低通濾波器。就這么簡單。

三角波發(fā)生器

對于三角波發(fā)生器，我使用了LMC555，這是著名555芯片的CMOS版本。電容器的充電和放電會產(chǎn)生一個不錯的三角波，雖然它并不完美（上升和下降都是指數(shù)型的），但如果上升和下降時間相等，那么它就能完美工作。

電阻和電容的值決定了大約200kHz的頻率。如果頻率高于此值，我們將會遇到問題，因為比較器和MOSFET驅(qū)動器并不是最快的設(shè)備。

比較器

對于比較器，您可以使用任何您想要的組件——只要它足夠快就行。我使用了手頭可用的LM393AP。雖然它的響應(yīng)時間為300ns，并不是最快的，但確實可以完成這項工作，當然也可以進行改進。如果您想使用其他集成電路，請務(wù)必小心檢查引腳是否匹配，否則您可能需要修改PCB設(shè)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(shè)計的，因此請確保您使用的是真正的比較器。

由于我們需要從比較器獲得兩個輸出，一個用于高端驅(qū)動器，另一個用于低端驅(qū)動器，因此我決定使用LM393AP。這是一個雙比較器封裝，我們只需為第二個比較器交換輸入即可。另一種方法是使用具有兩個輸出的比較器，如Linear Technology的LT1016。這些設(shè)備可能提供了一定程度的性能改進，但也可能更昂貴。

這些比較器由5V雙極性電源供電，該電源由兩個穩(wěn)壓二極管提供，它們從主電源（±30V）調(diào)節(jié)電壓。

MOSFET驅(qū)動器

對于MOSFET驅(qū)動器，我選擇了IR2110。另一種選擇是參考設(shè)計中使用的IR2011。這個集成電路確保了添加我在上一節(jié)中提到的死區(qū)時間。

由于集成電路的VSS引腳連接到負電源，因此我們需要對來自比較器的信號進行電平轉(zhuǎn)換。這是通過使用PNP晶體管和1N4148二極管來完成的。

為了驅(qū)動MOSFET，我們以負電源電壓為參考，用12V為IR2110供電；這個電壓是通過BD241與12V穩(wěn)壓二極管結(jié)合產(chǎn)生的。高端MOSFET需要由比開關(guān)節(jié)點VS高約12V的柵極電壓來驅(qū)動。這需要比正電源更高的電壓；IR2110在我們的自舉電容C10的幫助下提供這個驅(qū)動電壓。

最后，是濾波器。截止頻率為40kHz，負載電阻為4歐姆，因為我們有一個4歐姆的揚聲器（這里使用的值也適用于8歐姆的揚聲器，但最好根據(jù)您選擇的揚聲器調(diào)整濾波器）。有了這些信息，我們可以計算出電感和電容的值：

我們可以安全地向下取整到22μH。

最接近的標準值是680nF。

關(guān)于制作的注意事項

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了內(nèi)部工作原理，接下來只需仔細閱讀以下幾行，下載下面的文件，購買所需組件，蝕刻PCB，并開始組裝。

低通濾波器

對于低通濾波器，您可以使用680nF的電容器以盡可能接近計算值，但您也可以毫無問題地使用1μF的電容器（我設(shè)計的PCB允許您使用兩個電容器并聯(lián)來混合搭配）。

這些電容器需要是聚丙烯或聚酯的——一般來說，使用陶瓷電容器來處理音頻信號并不是一個好主意。而且您需要確保用于濾波的電容器具有高電壓額定值，至少為100VAC（更高也無妨）。設(shè)計中的其他電容器也需要有適當?shù)碾妷侯~定值。

我設(shè)計這款放大器的輸出功率約為100-150W。您應(yīng)該使用±30V的雙極性電源。您可以提高這個電壓，但如果電壓達到±40V左右，您需要確保將電阻R4和R5的值更改為2K2。

雖然使用BD241C時加裝散熱器并非必要，但強烈推薦這樣做，因為它會變得很熱。

MOSFET

就功率MOSFET而言，我建議使用IRF540N或IRFB41N15D。這些MOSFET具有低柵極電荷以實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和低RDS(on)以實現(xiàn)更低的功耗。您還需要確保MOSFET具有足夠的最大VDS（漏源電壓）額定值。您可以使用IRF640N，但其RDS(on)要高得多，導(dǎo)致放大器效率較低。以下是這三種MOSFET的比較表：

電感

接下來是電感。您可以購買現(xiàn)成的，但我建議您自己繞制——畢竟這是一個DIY項目。

購買一個T106-2環(huán)形鐵芯。它必須是鐵粉芯的；鐵氧體也可以工作，但需要留有空隙，否則會飽和。使用上述環(huán)形鐵芯，繞制40匝直徑為0.8-1mm（AWG20-18）的銅漆包線。就這樣。即使不完美也不用擔心——只要繞得緊就行。

電阻

最后，除非另有說明（R4、R5），所有電阻均為1/4W。

測試

在設(shè)計PCB時，我特意使其易于測試。輸入信號有自己的連接器，并且有兩個叉形接線端子用于接地：一個用于電源，一個用于揚聲器。

為了消除嗡嗡聲（來自市電頻率的50/60Hz），我采用了星形接地配置；這意味著將所有接地（放大器接地、信號接地和揚聲器接地）連接在同一點上，最好在電源PCB上的整流電路之后。

最后總結(jié)

我希望本文中的信息足以幫助您自己制作音頻功率放大器。同時，我也希望這能激發(fā)您自己制作放大器的熱情。

這個項目還有很多可以改進的地方。您已經(jīng)擁有了所有必要的信息和文件，但無需完全按照它們來操作。

您可以使用SMD組件，通過使用具有互補輸出的比較器電路來改進它，或者嘗試使用IR2011S代替IR2110。只需點燃焊槍，蝕刻PCB，并開始工作。第一次嘗試不成功也沒關(guān)系。

這完全是一個試錯的過程。當您最終從揚聲器中聽到清脆的聲音時，這一切都將變得值得。

如果您在構(gòu)建過程中遇到任何問題，請在此處發(fā)表評論或在論壇上發(fā)布，并盡可能提供詳細信息。我們會一起解決。