如何使用MOSFET構(gòu)建高效的D類音頻放大器

在過去的幾十年里，音頻內(nèi)容已經(jīng)走過了漫長的道路，從經(jīng)典的電子管放大器到現(xiàn)代的媒體播放器，技術(shù)進(jìn)步改變了數(shù)字媒體的消費(fèi)方式。在所有這些創(chuàng)新中，便攜式媒體播放器已成為消費(fèi)者的首選之一，因?yàn)樗鼈兙哂谐錆M活力的音質(zhì)和長電池壽命。那么它是如何工作的，它聽起來是多么的好。作為一個(gè)電子發(fā)燒友，這個(gè)問題總是出現(xiàn)在我的腦海里。盡管揚(yáng)聲器技術(shù)取得了進(jìn)步，但放大器方法的改進(jìn)發(fā)揮了重要作用，這個(gè)問題的明顯答案是D類放大器。因此，在本項(xiàng)目中，我們將借此機(jī)會(huì)討論D類放大器，并了解其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。最后，我們將構(gòu)建放大器的硬件原型并測(cè)試其性能。聽起來很有趣，對(duì)嗎?讓我們開始吧。

如果您對(duì)音頻放大器電路感興趣，您可以查看我們關(guān)于該主題的文章，其中我們使用運(yùn)算放大器，mosfet和IC(如TDA2030， TDA2040和TDA2050)構(gòu)建電路。

D類放大器的基礎(chǔ)知識(shí)

什么是d類音頻放大器?最簡(jiǎn)單的答案是，它是一個(gè)開關(guān)放大器。但是為了理解它的工作原理，我們需要了解它是如何工作的以及開關(guān)信號(hào)是如何產(chǎn)生的，為此，您可以按照下面給出的框圖進(jìn)行操作。

那么為什么是開關(guān)放大器呢?這個(gè)問題顯而易見的答案是效率。與A類、B類和AB類放大器相比，D類音頻放大器的效率可達(dá)90-95%。其中AB類放大器的最高效率為60-65%，因?yàn)樗鼈児ぷ髟谟性磪^(qū)域并且表現(xiàn)出低功率損耗，如果將集電極-發(fā)射極電壓與電流相乘，您可以發(fā)現(xiàn)。要了解更多有關(guān)該主題的信息，請(qǐng)查看我們關(guān)于功率放大器類別的文章，其中我們討論了所有相關(guān)的損耗因素。

現(xiàn)在，回到我們D類音頻放大器的簡(jiǎn)化框圖，正如你所看到的，在非反相端，我們有音頻輸入，在反相端，我們有高頻三角形信號(hào)。此時(shí)，當(dāng)輸入音頻信號(hào)的電壓大于三角波的電壓時(shí)，比較器輸出變高，當(dāng)信號(hào)變低時(shí)，輸出變低。通過這種設(shè)置，我們只是用高頻載波信號(hào)調(diào)制輸入音頻信號(hào)，然后連接到MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)IC，顧名思義，驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET的高側(cè)和低側(cè)柵極一次。在輸出端，我們得到一個(gè)強(qiáng)大的高頻方波，我們通過一個(gè)低通濾波器得到我們最終的音頻信號(hào)。

構(gòu)建d類音頻放大電路所需的元件

現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解了D類音頻放大器的基礎(chǔ)知識(shí)，我們可以開始尋找構(gòu)建DIY D類放大器的組件。由于這是一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試項(xiàng)目，組件需求非常通用，您可以從當(dāng)?shù)氐臉I(yè)余愛好商店找到其中的大部分。下面給出了一個(gè)組件列表，并附有圖片。

構(gòu)建D類功率放大器的零件清單：

?Ir2110 IC - 1

?Lm358運(yùn)算放大器- 1

?定時(shí)器IC - 1

?Lm7812 IC - 1

?Lm7805 IC - 1

?102pf電容器- 1

?103pf電容器- 1

?104pf電容器- 2

?105pf電容器- 1

?224pf電容器- 1

?22uF電容器- 1

?470uF電容器- 1

?220uF電容器- 1

?100uF電容器- 2

?2.2K電阻- 1

?10 K電阻- 2

?10R電阻- 2

?3.5毫米音頻插孔- 1

?5.08 mm螺釘端子- 2

?UF4007二極管- 3

?IRF640 mosfet - 2

?10K修剪鍋- 1

?26uH電感器- 1

?3.5毫米耳機(jī)插孔- 1

D類音頻放大器原理圖

我們的d類放大電路原理圖如下所示：

在PerfBoard上構(gòu)建電路

正如你從主圖中看到的，我們已經(jīng)在一塊板子上做了電路。因?yàn)椋紫?，電路非常?jiǎn)單，其次，如果出現(xiàn)問題，我們可以快速，輕松地修改它。我們?cè)阢~線的幫助下進(jìn)行了大部分連接，但在一些最后階段，我們不得不使用一些連接線來完成構(gòu)建。完成的perfboard電路如下所示。

d類音頻放大器的工作原理

在本節(jié)中，我們將介紹電路的每個(gè)主要模塊并解釋每個(gè)模塊。這個(gè)基于運(yùn)算放大器的d類音頻放大器是由非常通用的組件組成的，你可以在當(dāng)?shù)氐臉I(yè)余愛好商店找到它們。

輸入穩(wěn)壓器：

我們首先用LM7805 (5V穩(wěn)壓器)和LM7812(12伏穩(wěn)壓器)調(diào)節(jié)輸入電壓。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槲覀儗⑹褂?3.5V直流適配器為電路供電，并為NE555和IR2110 IC供電，需要5V和12V電源。

帶555穩(wěn)定多諧振蕩器的三角波發(fā)生器

從上圖中可以看到，我們使用了一個(gè)帶有2.2K電阻的555定時(shí)器來產(chǎn)生一個(gè)260KHz的三角形信號(hào)，如果你想了解更多關(guān)于不穩(wěn)定多振子的信息，你可以查看我們之前關(guān)于基于555定時(shí)器的不穩(wěn)定多振子電路的文章，在那里我們描述了所有必要的計(jì)算。

調(diào)制電路：

從上圖可以看到，我們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的LM358運(yùn)算放大器來調(diào)制輸入音頻信號(hào)。說到輸入音頻信號(hào)，我們使用兩個(gè)10K輸入電阻來獲得音頻信號(hào)，因?yàn)槲覀兪褂脝蝹€(gè)電源，我們附加了一個(gè)電位器來抵消輸入音頻中存在的零信號(hào)。當(dāng)輸入音頻信號(hào)的值大于輸入三角波時(shí)，這個(gè)比較器的輸出將是高的，并且在輸出處，我們將得到一個(gè)調(diào)制的方波，然后我們將其饋送到MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)IC。

IR2110 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)IC：

由于我們正在使用一些中等高頻，我們使用MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)IC來正確驅(qū)動(dòng)MOSFET。所有必要的電路都按照IR2110 IC數(shù)據(jù)表的建議放置。為了正常工作，該IC需要輸入信號(hào)的反轉(zhuǎn)信號(hào)，這就是為什么我們使用BF200高頻晶體管來產(chǎn)生輸入信號(hào)的反轉(zhuǎn)方波。

MOSFET輸出級(jí)：

從上圖中可以看到，我們有MOSFET輸出級(jí)，這也是主要的輸出驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)槲覀冋谔幚砀哳l和電感，總是涉及瞬態(tài)，這就是為什么我們使用一些UF4007作為反激二極管，防止MOSFET受到損壞。

LC低通濾波器：

MOSFET驅(qū)動(dòng)級(jí)的輸出是高頻方波，這個(gè)信號(hào)絕對(duì)不適合驅(qū)動(dòng)像揚(yáng)聲器這樣的負(fù)載。為了防止這種情況，我們使用了26uH的電感和1uF的非極化電容來制作低通濾波器，記為C11。這就是簡(jiǎn)單電路的工作原理。

d類放大電路測(cè)試

正如你可以從上面的圖像中看到的，我已經(jīng)使用了一個(gè)12V電源適配器來為電路供電。由于我使用的是價(jià)格合理的中國產(chǎn)品，它發(fā)出的比12V多一點(diǎn)，確切地說，它是13.5V，這對(duì)于我們的板載LM7812穩(wěn)壓器來說是完美的。作為負(fù)載，我使用4歐姆，5瓦揚(yáng)聲器。至于音頻輸入，我用的是3.5毫米插孔的筆記本電腦。

當(dāng)電路接通電源時(shí)，沒有明顯的嗡嗡聲，因?yàn)槟憧赡軓钠渌愋偷姆糯笃鞯玫剑缒阍谝曨l中看到的，這個(gè)電路并不完美，它在更高的輸入電平有一個(gè)裁剪問題，所以這個(gè)電路有很大的改進(jìn)空間。當(dāng)我駕駛適度低負(fù)載時(shí)，mosfet根本沒有發(fā)熱，因此對(duì)于這些測(cè)試，它不需要任何散熱器。

進(jìn)一步增強(qiáng)

這個(gè)D類功率放大器電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的原型，有很大的改進(jìn)空間，我對(duì)這個(gè)電路的主要問題是采樣技術(shù)，這需要改進(jìn)。為了減少放大器的削波，需要計(jì)算適當(dāng)?shù)碾姼泻碗娙葜?，以獲得一個(gè)完美的低通濾波器級(jí)。與往常一樣，電路可以在PCB上制作以獲得更好的性能?？梢约右粋€(gè)保護(hù)電路，防止電路過熱或短路。

本文編譯自circuitdigest