【導讀】高保真聲音再現發燒友是氮化镓（GaN）基本質量的最新受益者

，因為它使這些發燒友在充滿挑戰的環境中得到了喘息。GaN解決了他們關於最佳家庭音頻設置構成的難題。

高保真聲音再現發燒友是氮化镓（GaN）基本質量的最新受益者
，因為它使這些發燒友在充滿挑戰的環境中得到了喘息。GaN解決了他們關於最佳家庭音頻設置構成的難題。

音頻放大器的基本類別是A類，AB類和B類，它們利用其晶體管的線性區域
，同時嚐試以最小的失真來重建完美的輸入音頻信號。已經表明，這種設計可以實現高達80％的理論效率，但實際上，它們的效率約為65％或更低。在當今電池供電的智能手機，數字增強無線技術（DECT）手shou機ji和he藍lan牙ya揚yang聲sheng器qi領ling域yu，這zhe種zhong線xian性xing方fang法fa已yi成cheng為wei曆li史shi，因yin為wei它ta對dui電dian池chi壽shou命ming產chan生sheng了le巨ju大da影ying響xiang。與yu電dian子zi行xing業ye的de大da多duo數shu其qi他ta領ling域yu一yi樣yang，發fa燒shao友you發fa現xian使shi用yong切qie換huan方fang法fa比bi線xian性xing提ti供gong了le更geng好hao的de承cheng諾nuo。

對dui於yu堅jian持chi使shi用yong經jing典dian放fang大da器qi拓tuo撲pu類lei別bie的de用yong戶hu
，他ta們men的de要yao求qiu將jiang集ji中zhong在zai準zhun確que的de音yin頻pin再zai現xian上shang，而er幾ji乎hu不bu考kao慮lv解jie決jue方fang案an的de整zheng體ti電dian效xiao率lv。雖sui然ran這zhe在zai家jia庭ting音yin頻pin環huan境jing中zhong是shi完wan全quan合he理li的de
，但dan許xu多duo應ying用yong都dou要yao求qiu高gao放fang大da器qi效xiao率lv。這zhe可ke能neng是shi為wei了le節jie省sheng能neng源yuan並bing延yan長chang電dian池chi壽shou命ming，或huo者zhe是shi為wei了le減jian少shao散san熱re，從cong而er使shi最zui終zhong產chan品pin更geng致zhi密mi，更geng緊jin湊cou。

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）。脈衝寬度調製（PWM）信號的占空比由輸入的音頻信號控製，可確保開關設備處於打開或關閉狀態，從而將其線性區域的操作保持在最低水平。這提供了100％的理論效率以及零失真的可能性。

圖1：D類放大器設計的基本框圖

然後，事實證明
，僅有的可用鍺晶體管不適合這種開關拓撲的需求，結果，早期的放大器設計被證明是不成功的。但是
，MOSFET技術的出現使D類設計獲得了吉祥。如今
，D類(lei)放(fang)大(da)器(qi)因(yin)其(qi)電(dian)氣(qi)效(xiao)率(lv)而(er)在(zai)各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)找(zhao)到(dao)了(le)家(jia)。在(zai)緊(jin)湊(cou)性(xing)是(shi)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，例(li)如(ru)在(zai)當(dang)今(jin)的(de)平(ping)板(ban)電(dian)視(shi)和(he)汽(qi)車(che)音(yin)響(xiang)主(zhu)機(ji)中(zhong)
，它(ta)也(ye)很(hen)受(shou)歡(huan)迎(ying)，因(yin)為(wei)通(tong)常(chang)不(bu)需(xu)要(yao)笨(ben)重(zhong)的(de)散(san)熱(re)器(qi)。

基於GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）提供了一種用作D類設計中的開關的新技術，並具有更高的效率和音頻質量的提高。

符合D類放大器的需求

從理論上講，D類開關器件的高性能需要提供低導通電阻，以最大程度地降低I2R損耗。GaN提供的導通電阻比Si MOSFET低得多，並且可以在較小的裸片麵積中實現。反過來，這也體現在小包裝中，設計人員可以使用小包裝將更緊湊的放大器推向市場。

開關損耗是另一個需要充分考慮的因素。在中高功率輸出電平下，D類放大器的性能異常出色。但是，由於功率器件中的損耗

，效率最低的是最低功率輸出。

為了克服這一挑戰，某些Dleifangdaqifangfashiyongliangzhonggongzuomoshi。zhezhongduojijishuxianzhiledangbofangdiyinliangyinpinshigonglvshebeikeyiqiehuandaodeshuchudianya。yidanshuchuliangdadaoyudingyideyuzhi
，kaiguandeshuchudianyaguijiuhuizengjia
，congertigongwanzhengdedianyabaifu。weilejinyibujianshaokaiguansunhaodeyingxiang
，keyizaidishuchuliangshishiyonglingdianyakaiguan（ZVS）技術
，而在高功率水平時改為硬開關。

當使用Si MOSFET實施時
，由於在功率器件關閉和打開時輸出處的非零電壓

，硬開關模式會導致體二極管中產生電荷積聚。隨後需要建立的反向恢複電荷（Qrr）需要放電，並且需要將其時間納入PWM控製實現中。在利用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Qrr。這樣的結果是總體上更高的效率，失真度的改善以及更清晰的開關波形。

當放大器在ZVS模(mo)式(shi)下(xia)工(gong)作(zuo)時(shi)，開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)和(he)由(you)此(ci)產(chan)生(sheng)的(de)開(kai)關(guan)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)消(xiao)除(chu)，因(yin)為(wei)輸(shu)出(chu)的(de)過(guo)渡(du)是(shi)通(tong)過(guo)電(dian)感(gan)器(qi)電(dian)流(liu)換(huan)向(xiang)實(shi)現(xian)的(de)。但(dan)是(shi)，與(yu)所(suo)有(you)半(ban)橋(qiao)設(she)計(ji)一(yi)樣(yang)，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)直(zhi)通(tong)問(wen)題(ti)
，即(ji)同(tong)時(shi)接(jie)通(tong)高(gao)側(ce)和(he)低(di)側(ce)開(kai)關(guan)的(de)時(shi)刻(ke)。通(tong)常(chang)插(cha)入(ru)一(yi)個(ge)短(duan)的(de)延(yan)遲(chi)，稱(cheng)為(wei)消(xiao)隱(yin)時(shi)間(jian)，以(yi)確(que)保(bao)其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)設(she)備(bei)在(zai)另(ling)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)設(she)備(bei)打(da)開(kai)之(zhi)前(qian)完(wan)全(quan)關(guan)閉(bi)。應(ying)當(dang)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，這(zhe)種(zhong)延(yan)遲(chi)會(hui)影(ying)響(xiang)PWM信號，從而導致音頻輸出失真
，因此，目標是使其盡可能短
，以保持音頻保真度。此延遲的時間長度取決於功率器件的輸出電容Coss。盡管GaN晶體管尚未完全消除Coss，但它遠低於Si MOSFET器件的Coss。結果
，較短的消隱時間使放大器在使用GaN時失真較小。

盡jin管guan有you所suo改gai進jin

，但dan仍reng需xu要yao處chu理li存cun儲chu在zai該gai電dian容rong中zhong的de能neng量liang，並bing在zai下xia一yi個ge導dao通tong周zhou期qi中zhong將jiang其qi消xiao散san。但dan是shi，由you於yu這zhe些xie損sun耗hao的de影ying響xiang在zai較jiao高gao的de開kai關guan頻pin率lv下xia尤you其qi明ming顯xian，因yin此ci基ji於yuGaN的設計顯示出比基於Si的放大器更高的效率。

了解如何實現GaN的好處

GaN HEMT晶體管的端子名稱與Si MOSFET相同，具有柵極，漏極和源極。它們的極低電阻是通過柵極和源極之間的二維電子氣（2DEG）實現的，由於提供的電子池
，有效地實現了短路。當未施加柵極偏置時（VGS= 0 V），p-GaN柵極停止導通。不同於其對應的矽
，GaN HEMT是雙向器件。結果，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則反向電流會流動。需要注意的是，它們的幹淨開關是由於缺少Si MOSFET共有的體二極管（圖2）。這是與PN結相關的許多開關噪聲的原因。

圖2：GaN HEMT晶體管的結構

圖2a：優於Si MOSFET的D類放大器的出色開關特性

已經實現了D類放大器設計
，無需散熱片即可將160 W功率轉換為8Ω。一種這樣的原型將IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT與200 V D類驅動器IRS20957S一起使用（圖3）。這種特殊的開關的RDS（on）（max）僅為70mΩ。如果與散熱器一起使用，該放大器可以輸出高達250 W的功率
，並且在100 W時達到非常可觀的0.008％的THD + N。從ZVS切換到硬開關會導致THD + N測量值出現駝峰。在500 kHz的頻率下工作，該設計沒有顯示出明顯的失真變化（發生在幾瓦特的情況下），並且硬開關區域保持安靜且非常幹淨。

圖3：250 W D類放大器設計

圖3a：THD + N測量

概括

多年來，由於在優化性能方麵不斷取得進步
，Si MOSFET為D類放大器設計人員提供了出色的服務。但是
，要實現它們的特性方麵的進一步進步具有挑戰性。此外，RDS（on）的進一步減小將導致更大的裸片尺寸，從而使構建緊湊的音頻放大器設計更加困難。然而，GaN HEMT突破了這一限製
，同時還消除了Qrr。這樣

，再加上降低的Coss和在較高的開關頻率下工作的能力，意味著可以創建小巧，緊湊的設計

，而通常無需借助散熱片。最終的THD + N測量結果也表明了這項新技術可以實現的出色音頻性能。

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