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：它是一個(gè)開關(guān)放大器。但為了完全理解一個(gè)人是如何工作的，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）作為線性器件運(yùn)行。將其與開關(guān)放大器進(jìn)行比較，之所以這樣稱呼，是因?yàn)楣β?a target="_blank">晶體管 （MOSFET） 就像開關(guān)一樣，將其狀態(tài)從 OFF 更改為 ON。這允許非常高的效率，高達(dá) 80 - 95%。因此，該放大器不會(huì)產(chǎn)生大量熱量，也不需要像線性 AB 類放大器那樣使用大散熱器。相比之下，B 類放大器只能達(dá)到 78.5% 的最大效率（理論上）?！　∧梢栽谙旅婵吹交?PWM D 類放大器的框圖，就像我們正在構(gòu)建的放大器一樣。

　　基本型 PWM D 類放大器
　　使用比較器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的矩形信號(hào)。這基本上意味著 input 被編碼到矩形脈沖的占空比中。矩形信號(hào)被放大，然后低通濾波器產(chǎn)生原始模擬信號(hào)的更高功率版本。
　　還有其他方法可以將信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖，例如 ΔΣ （delta-sigma） 調(diào)制，但對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們將使用 PWM。
　　使用比較器進(jìn)行脈寬調(diào)制　　在下圖中，您可以通過將正弦信號(hào)（輸入）與三角形信號(hào)進(jìn)行比較，了解我們?nèi)绾螌⑵滢D(zhuǎn)換為矩形信號(hào)。

　　通過將正弦信號(hào)（輸入）與三角形信號(hào)進(jìn)行比較，將其轉(zhuǎn)換為矩形信號(hào)
　　在正弦波的正峰值處，矩形脈沖的占空比為 100%，而在負(fù)峰值處為 0%。三角形信號(hào)的實(shí)際頻率要高得多，大約幾百 kHz，因此我們稍后可以提取原始信號(hào)。
　　真正的濾波器，而不是理想的濾波器，沒有從通帶到阻帶的完美“磚墻”過渡，因此我們希望三角形信號(hào)的頻率至少比 20KHz 高 10 倍，這是人類聽力的上限。
　　Power Stage — 理論上聽起來不錯(cuò)
　　理論是一方面，實(shí)踐是另一方面。如果我們想將前面的框圖付諸實(shí)踐，我們會(huì)偶然發(fā)現(xiàn)一些問題?！　蓚€(gè)問題是功率級(jí)中器件的上升和下降時(shí)間，以及我們將 NMOS 晶體管用于高端驅(qū)動(dòng)器的事實(shí)。

　　將 NMOS 晶體管用于高側(cè)驅(qū)動(dòng)器
　　由于 MOSFET 的開關(guān)不是瞬間完成的，而更像是上下山，因此晶體管的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)重疊，從而在正負(fù)電源軌之間形成低阻抗連接。這會(huì)導(dǎo)致大電流脈沖通過我們的 MOSFET，從而導(dǎo)致故障?！　榱朔乐惯@種情況，我們需要在驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 的信號(hào)之間插入一些死區(qū)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是使用 International Rectifier （Infineon） 的專用 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，例如 IR2110S 或 IR2011S。此外，這些 IC 提供高側(cè) NMOS 所需的升壓柵極電壓。

　　IC 為高端 NMOS 提供升壓柵極電壓
　　Low-Pass Filter　　對(duì)于篩選階段，執(zhí)行此操作的最佳方法之一是使用 Butterworth 篩選器。

　　巴特沃斯濾波器的使用
　　這些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(shí)現(xiàn)的信號(hào)不會(huì)衰減太多。
　　我們想要過濾高于 20 kHz 的頻率。截止頻率的計(jì)算值為 -3dB，因此我們希望它高一點(diǎn)，以便不過濾我們想聽到的聲音。最好選擇 40 到 60 kHz 之間的值。品質(zhì)因子 \[Q = \frac{1}{\sqrt{2}}\]。
　　這些是用于計(jì)算電感和電容值的公式：
　　\[L = \frac{R_{L}\sqrt{2}}{2\cdot \pi \cdot f_{c}}\]
　　\[C = \frac{1}{2\sqrt{2}\cdot \pi \cdot f_{c}\cdot R_{L}}\]
　　構(gòu)建您的 DIY 放大器 （Luke-The-Warm）
　　現(xiàn)在我們知道了 D 類放大器的工作原理，讓我們構(gòu)建一個(gè)。
　　首先，我將這款放大器命名為 Luke-The-Warm，因?yàn)樯崞鲙缀醪粫?huì)變熱，而 AB 類放大器如果不主動(dòng)冷卻，其散熱器會(huì)變得非常熱。　　您可以在下面看到我設(shè)計(jì)的放大器的原理圖。它基于 International Rectifier （Infineon） 的 IRAUDAMP1 參考設(shè)計(jì)。主要區(qū)別在于 ΔΣ 調(diào)制，我的使用 PWM 而不是 ΔΣ 調(diào)制。

　　放大器的原理圖
　　現(xiàn)在，我將告訴您一些設(shè)計(jì)選擇以及組件如何相互協(xié)作。讓我們從左側(cè)開始。
　　輸入電路　　對(duì)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。就是這么簡單。

　　使用高通濾波器，后跟低通濾波器
　　三角形生成器
　　對(duì)于三角形生成器，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(huì)產(chǎn)生一個(gè)漂亮的三角形，這并不完美（它呈指數(shù)上升和下降），但如果上升和下降時(shí)間相等，它就會(huì)完美工作。　　電阻器和電容器的值設(shè)置的頻率約為 200kHz。任何高于此值，我們都會(huì)遇到麻煩，因?yàn)楸容^器和 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器不是最快的器件。

　　三角形生成器
　　比較儀
　　對(duì)于比較器，您可以使用任何您想要的組件 — 它只需要快速即可。我使用了我現(xiàn)有的 LM393AP。在 300ns 的響應(yīng)時(shí)間下，它不是最快的，絕對(duì)可以改進(jìn)，但它可以完成工作。如果您想使用其他 IC，只需小心檢查引腳是否匹配，否則您將不得不修改 PCB 設(shè)計(jì)。
　　理論上，運(yùn)算放大器可以用作比較器，但實(shí)際上運(yùn)算放大器是為其他類型的工作而設(shè)計(jì)的，因此請(qǐng)確保使用實(shí)際的比較器。
　　因?yàn)槲覀冃枰容^器的兩個(gè)輸出，一個(gè)用于高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)用于低側(cè)驅(qū)動(dòng)器，所以我決定使用 LM393AP。這是一個(gè)封裝中的兩個(gè) parator，我們只是將 inputs 交換為第二個(gè) comparator。另一種方法是使用具有兩個(gè)輸出的比較器，例如 Linear Technology 的 LT1016。這些設(shè)備可能會(huì)提供一些改進(jìn)的性能，但它們也可能更昂貴?！　∵@些比較器由 5V 雙極電源供電，該電源由兩個(gè)齊納二極管提供，用于調(diào)節(jié)主電源的電壓，即 ±30V。

　　MOSFET 驅(qū)動(dòng)器
　　對(duì)于 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，我選擇使用 IR2110。另一種選擇是 IR2011，它用于參考設(shè)計(jì)。這個(gè) integrated circuit 確保添加我在上一節(jié)中談到的死區(qū)時(shí)間。
　　由于 IC 的 VSS 引腳與負(fù)電源相連，因此我們需要對(duì)來自比較器的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這是使用 PNP 晶體管和 1N4148 二極管完成的。
　　為了驅(qū)動(dòng) MOSFET，我們?yōu)?IR2110 供電，電壓為 12V，以負(fù)電源電壓為基準(zhǔn);該電壓由 BD241 與 12V 齊納二極管結(jié)合使用產(chǎn)生。高壓側(cè) MOSFET 需要由比開關(guān)節(jié)點(diǎn) VS 高約 12V 的柵極電壓驅(qū)動(dòng)。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(qū)動(dòng)電壓。
　　MOSFET 驅(qū)動(dòng)器
　　濾波器
　　最后是過濾器。截止頻率為 40kHz，負(fù)載電阻為 4 歐姆，因?yàn)槲覀冇幸粋€(gè) 4 歐姆的揚(yáng)聲器（這里使用的值也適用于 8 歐姆的揚(yáng)聲器，但最好根據(jù)您選擇的揚(yáng)聲器調(diào)整濾波器）。有了這些信息，我們可以計(jì)算出電感和電容的值：
　　\[L = \frac{4\sqrt{2}}{2\cdot \pi \cdot 40000} H = 22.508\mu H\]
　　我們可以安全地四舍五入到 22μH。
　　\[C = \frac{1}{2\sqrt{2}\cdot \pi \cdot 40000\cdot 4} F = 0.703\mu H\]
　　最接近的標(biāo)準(zhǔn)值為 680nF。
　　Build 注意事項(xiàng)
　　既然您已經(jīng)了解了所有內(nèi)部工作原理，您所要做的就是非常仔細(xì)地閱讀接下來的幾行，下載下面的文件，購買所需的組件，蝕刻 PCB，然后開始組裝。
　　Low-Pass Filter
　　對(duì)于低通濾波器，您可以使用 680nF 電容器以盡可能接近計(jì)算值，但您也可以毫無問題地使用 1μF 電容器（我設(shè)計(jì)了 PCB，以便您可以并聯(lián)使用兩個(gè)電容器進(jìn)行混合和匹配）。
　　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(hào)不是一個(gè)好主意。您需要確保用于濾波的電容器的額定電壓至少為 100VAC（更多不會(huì)造成傷害）。設(shè)計(jì)中的其余 capacitors 也需要具有適當(dāng)?shù)念~定電壓。
　　我設(shè)計(jì)的這個(gè)放大器的輸出功率約為 100-150W。您應(yīng)該使用具有 ±30V 電源軌的雙極電源。你可以達(dá)到更高的水平，但對(duì)于大約 ±40V 的電壓，你需要確保將電阻 R4 和 R5 的值更改為 2K2。
　　沒有必要，但強(qiáng)烈建議您使用 BD241C 的散熱器，因?yàn)樗鼤?huì)變得很熱。
　　MOSFET （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，可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和低 RDS 系列（on） 以降低功耗。您還需要確保 MOSFET 具有足夠的最大 VDS 系列（漏源電壓）額定值。您可以使用 IRF640N，但 RDS 系列（on） 明顯更高，導(dǎo)致放大器的效率較低。下表比較了這三種 MOSFET：
　　MOSFET （微粒半導(dǎo)體最大 VDS 系列（五）我D（一）Qg （nC）RDS 系列（開）
　　IRFB41N15D15041720.045
　　IRF540N10033710.044
　　IRF640N20018670.15
　　感應(yīng)器
　　現(xiàn)在是電感器。你可以買一個(gè)已經(jīng)做的，但我建議你自己上卷——畢竟這是一個(gè) DIY 項(xiàng)目。
　　購買 T106-2 環(huán)形線圈。它需要鐵粉;鐵氧體可以工作，但它需要一個(gè)間隙，否則它會(huì)飽和。使用上述環(huán)形線圈，繞 40 圈直徑為 0.8-1mm （AWG20-18） 的銅漆包線。就是這樣。如果它不完美，請(qǐng)不要擔(dān)心——只要把它擰緊就好了。
　　電阻
　　最后，除非注明 （R4， R5），否則所有電阻均為 1/4W。
　　測試
　　當(dāng)我設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，我把它做得非常容易測試。輸入信號(hào)有自己的連接器，并且有兩個(gè)用于接地的鏟形端子：一個(gè)用于電源，一個(gè)用于揚(yáng)聲器。
　　為了消除嗡嗡聲（50/60 Hz，來自電源頻率），我使用了星形-接地配置;這意味著將所有接地（放大器接地、信號(hào)接地和揚(yáng)聲器接地）連接在整流器電路之后的同一點(diǎn)，最好是在電源 PCB 上。