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interwetten与威廉的赔率体系 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
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