【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xiangPWM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。

jinguanyousuogaijin，danrengxuyaochulicunchuzaigaidianrongzhongdenengliang
，bingzaixiayigedaotongzhouqizhongjiangqixiaosan。danshi，youyuzhexiesunhaodeyingxiangzaijiaogaodekaiguanpinlvxiayouqimingxian，yincijiyuGaN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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