高保真聲音再現(xiàn)愛好者是氮化鎵 （GaN）基本品質的最新受益者，因為它為這些發(fā)燒友在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中提供了喘息的機會。GaN 解決了他們關于什么是最佳家庭音頻設置的難題。

音頻放大器的基本類別是 A 類、AB 類和 B 類，它們利用晶體管的線性區(qū)域，同時試圖以最小的失真重現(xiàn)完美的輸入音頻信號。已經表明，這種設計可以實現(xiàn)高達 80% 的理論效率，但在實踐中，它們的效率約為 65% 或更低。在當今電池供電的智能手機、數字增強無繩技術 （DECT） 手機和藍牙揚聲器的世界中，這種線性方法已成為歷史，因為它對電池壽命有巨大影響。與電子行業(yè)的大多數其他領域一樣，發(fā)燒友發(fā)現(xiàn)使用切換方法比線性方法提供更好的前景。

對于那些堅持使用經典放大器拓撲結構的人來說，他們的要求將集中在準確的音頻再現(xiàn)上，而很少考慮解決方案的整體電氣效率。雖然這在家庭音頻環(huán)境中是完全合理的，但許多應用都需要高放大器效率。這可能是為了節(jié)省能源和延長電池壽命，或減少散熱，從而獲得更密集、更緊湊的最終產品。

在 1950 年代提出的 D 類放大器一直使用一對推/拉配置的開關器件（圖 1）。脈沖寬度調制 （PWM） 信號（其占空比由輸入的音頻信號控制）確保開關器件處于開啟或關閉狀態(tài)，從而將其線性區(qū)域內的操作保持在最低限度。這提供了 100% 的理論效率和零失真的可能性。

圖 1：D 類放大器設計的基本框圖

然后，唯一可用的鍺晶體管被證明不適合這種開關拓撲的需求，因此，早期的放大器設計被證明是不成功的。然而，MOSFET 技術的出現(xiàn)使 D 類設計變得吉祥。今天，D 類放大器因其電氣效率而在廣泛的應用中找到家。它也被證明在設計要求緊湊的地方很受歡迎，例如在今天的平板電視和汽車音響主機中，因為通常不需要笨重的散熱器。

基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 （HEMT） 提供了一種新技術，可用作 D 類設計中的開關，從而進一步提高效率并改善音頻質量。

滿足 D 類放大器的需求

理論上，D 類開關器件的高性能需要提供低導通電阻，以最大限度地減少 I2R 損耗。GaN 提供比 Si MOSFET 低得多的導通電阻，并在更小的芯片面積中實現(xiàn)了這一點。反過來，這體現(xiàn)在設計人員可以用來將更緊湊的放大器推向市場的小型封裝中。

開關損耗是另一個需要充分考慮的因素。在中高功率輸出水平下，D 類放大器的性能異常高效。但在最低功率輸出時，由于功率器件的損耗，效率被證明很差。

為了克服這一挑戰(zhàn)，一些 D 類放大器方法使用兩種操作模式。這種多電平技術限制了電源設備在播放低音量音頻時可以切換到的輸出電壓。一旦輸出量達到預定義的閾值，開關的輸出電壓軌就會增加，從而使全電壓擺幅可用。為了進一步降低開關損耗的影響，零電壓開關 （ZVS） 技術可以在低輸出量下使用，在高功率水平下改為硬開關。

當使用 Si MOSFET 實現(xiàn)時，由于功率器件關閉和打開時輸出端的非零電壓，硬開關模式會導致體二極管中的電荷積聚。然后建立的反向恢復電荷 （Q rr ） 需要放電，其時間需要考慮到 PWM 控制實施中。在使用 GaN 的設計中，這不是問題，因為這些晶體管沒有固有的體二極管，因此沒有 Q rr。其結果是整體效率更高、失真系數得到改善以及開關波形更清晰。

當放大器在 ZVS 模式下工作時，開關損耗和由此產生的開關功率損耗被有效消除，因為輸出的轉換是通過電感器電流換向實現(xiàn)的。然而，與所有半橋設計的情況一樣，需要考慮直通問題，即高側和低側開關同時開啟的時刻。通常會插入一個稱為消隱時間的短延遲，以確保其中一個開關器件在另一個開關器件打開之前完全關閉。應該注意的是，這種延遲會影響 PWM 信號，從而導致音頻輸出失真，因此目標是盡可能短以保持音頻保真度。此延遲的長度取決于功率器件的輸出電容 C oss. 雖然 GaN 晶體管并沒有完全消除 C oss，但它明顯低于 Si MOSFET 器件。因此，在使用 GaN 時，較短的消隱時間會導致放大器失真較小。

盡管有所改進，但存儲在該電容中的能量仍然需要處理，在下一個開啟周期中消散。但是，由于這些損耗的影響在較高的開關頻率下尤為明顯，因此基于 GaN 的設計顯示出比基于 Si 的放大器更高的效率。

了解如何實現(xiàn) GaN 的優(yōu)勢

GaN HEMT 晶體管的端子命名方式與 Si MOSFET 相同，具有柵極、漏極和源極。它們非常低的電阻是通過柵極和源極之間的二維電子氣 （2DEG） 實現(xiàn)的，由于提供的電子池有效地實現(xiàn)了短路。當沒有施加柵極偏壓時（V GS = 0 V），p-GaN 柵極停止導通。與硅對應物不同，GaN HEMT 是雙向器件。因此，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則可能會產生反向電流。之所以注意到它們的干凈開關，是因為沒有 Si MOSFET 常見的體二極管（圖 2）。這是與 PN 結相關的大部分開關噪聲的原因。

圖 2：GaN HEMT 晶體管的結構

圖 2a：與 Si MOSFET 相比，有利于 D 類放大器的優(yōu)越開關特性

已經實現(xiàn)了無需散熱器即可將 160 W 功率傳輸到 8 Ω 的 D 類放大器設計。其中一個原型使用 IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT 和 IRS20957S，這是一款 200 V D 類驅動器 IC（圖 3）。這種特殊的開關提供的 R DS（on）（max）僅為 70 mΩ。如果與散熱器一起使用，放大器可以輸出高達 250 W 的功率，并且在 100 W 時達到非?？捎^的 0.008% THD+N。從 ZVS 到硬開關的變化可能會導致 THD+N 測量出現(xiàn)駝峰。該設計在 500 kHz 下工作，失真沒有明顯變化（發(fā)生在幾瓦時），硬開關區(qū)域保持安靜且非常干凈。

圖 3：250 W D 類放大器設計

Figure 3a： The THD+N measurement

總結

多年來，Si MOSFET 為 D 類放大器設計人員提供了出色的服務，這要歸功于在優(yōu)化其性能方面取得的不斷進步。然而，在它們的特性上取得進一步的進展是具有挑戰(zhàn)性的。此外，R DS（on）的額外降低將導致更大的芯片尺寸，使得構建緊湊的音頻放大器設計變得更加困難。然而，GaN HEMT 突破了這一限制，同時還消除了 Q rr。這一點，再加上它們的 C oss降低和在更高開關頻率下工作的能力，意味著可以創(chuàng)建小體積、緊湊的設計，而通常無需求助于散熱器。由此產生的 THD+N 測量結果還表明這項新技術可以實現(xiàn)卓越的音頻性能。

審核編輯：郭婷