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傳統(tǒng)的音頻放大技術(shù)是一個充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，發(fā)燒友們對于構(gòu)成家庭音頻最佳設(shè)置的要素有明顯不同意見。對于那些堅持使用經(jīng)典放大器拓撲架構(gòu)的用戶，他們的要求主要集中體現(xiàn)在準確的音頻再現(xiàn)方面，而幾乎不考慮解決方案的整體用電效率。雖然這在家庭音頻環(huán)境中完全合理，但在許多其它應(yīng)用中都要求較高的放大器效率。這或許是為了節(jié)省能源，并延長電池壽命，或是為了減少散熱，從而使產(chǎn)品更致密、更緊湊。
音頻放大器有幾種基本類型，包括 A 類、AB 類和 B 類，它們都利用其晶體管的線性區(qū)域，并以最小失真完美地再現(xiàn)輸入音頻信號。研究表明，這種設(shè)計理論上可以實現(xiàn)高達 80％的效率，但實際上，它們的效率約為 65％或更低。在當今由電池供電的智能手機、數(shù)字增強型無繩電信（DECT）手機和藍牙揚聲器等電子產(chǎn)品中，效率低下會對電池壽命產(chǎn)生巨大影響。像在電子行業(yè)的大多數(shù)其他領(lǐng)域（如電源轉(zhuǎn)換器）一樣，使用開關(guān)技術(shù)，而非線性技術(shù)的設(shè)計方法似乎能夠有望實現(xiàn)突破。
D 類放大器首先是在上世紀 50 年代出現(xiàn)，它使用一對開關(guān)器件進行推 / 挽配置（圖 1）。脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號占空比由輸入音頻信號控制，可確保開關(guān)器件處于打開或關(guān)斷狀態(tài)，從而將其線性區(qū)域的操作保持在最低水平。這不僅能夠?qū)崿F(xiàn) 100％的理論效率，而且還具有零失真的潛力。
當時，市場上只有鍺晶體管，但是它經(jīng)過證明不適合這種開關(guān)拓撲架構(gòu)的需求，因此早期的放大器設(shè)計并不成功。直到后來，隨著 MOSFET 技術(shù)的出現(xiàn)，D 類設(shè)計才得起死回生。如今，此類放大器因其高能效而在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在當今的平板電視和汽車音響控制單元等設(shè)計中，緊湊性是一項非常迫切的要求，D 類放大器在其中也很受歡迎，因為它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）是一種新技術(shù)，可用作 D 類設(shè)計中的開關(guān)器件，并可提供更高的效率和音頻質(zhì)量。
滿足 D 類放大器的需求
為了能夠接近 D 類放大器理論上的高性能，開關(guān)器件需要具備低導(dǎo)通電阻，以最大程度地降低 I2R 損耗。GaN 器件具有比 Si MOSFET 低得多的導(dǎo)通電阻，并且可以通過較小的芯片面積實現(xiàn)。反過來，這種小芯片封裝也可以幫助設(shè)計師將更多緊湊型放大器推向市場。
開關(guān)損耗是另一個需要充分考慮的因素。在中、高功率輸出時，D 類放大器的性能非常出眾。但是，由于功率器件中的損耗，功率輸出最低時的效率也最低。
為了克服這一挑戰(zhàn)，一些 D 類放大器采用兩種工作模式。在播放低音量音頻時，這種多級技術(shù)限制了功率器件可以切換到的輸出電壓。一旦輸出音量達到設(shè)定的閾值，開關(guān)的輸出電壓軌就會增大，從而可提供完整的電壓擺幅。為了進一步降低開關(guān)損耗的影響，在低輸出量時可以使用零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)，而在高功率水平時改為硬開關(guān)。
當使用 Si MOSFET 實施時，由于功率器件關(guān)斷和導(dǎo)通時輸出的非零電壓，硬開關(guān)模式會導(dǎo)致體二極管中產(chǎn)生電荷累積。之后，積累的反向恢復(fù)電荷（Qrr）需要放電，這其中需要的時間在 PWM 控制實施過程中應(yīng)該考慮。而如果采用 GaN 進行設(shè)計，則沒有這個問題，因為這些晶體管沒有固有的體二極管，因此也就沒有 Qrr，這樣可以實現(xiàn)更高的總體效率、改進的失真系數(shù)以及更清晰的開關(guān)波形。
放大器在零電壓開關(guān)模式下工作時，由于輸出的轉(zhuǎn)變是通過電感電流換向來實現(xiàn)，可有效消除開關(guān)中的開關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的功率損失。然而，與所有半橋設(shè)計一樣，需要考慮直通（shoot-through）問題，即高側(cè)和低側(cè)開關(guān)同時導(dǎo)通的現(xiàn)象。通常可以插入一個稱為消隱時間（blanking time）的短延遲，以確保其中一個開關(guān)在導(dǎo)通之前另一個開關(guān)完全關(guān)斷。需要注意的是，該延遲會影響 PWM 信號，導(dǎo)致音頻輸出失真，因此設(shè)計中的一個目標是盡可能縮短延遲，以維持音頻保真度。該延遲的長度取決于功率器件的輸出電容 Coss。雖然 GaN 晶體管尚未完全消除 Coss，但明顯低于 Si MOSFET 器件。因此，使用 GaN 時，其較短的消隱時間會導(dǎo)致更小的放大器失真。
盡管上面提到的改進，這種電容中儲存的能量仍有待處理，在下一個導(dǎo)通周期中被消耗掉。但是這些損耗的影響在較高開關(guān)頻率下尤其明顯，因此基于 GaN 的設(shè)計比 Si 放大器具有更高的效率。
如何實現(xiàn) GaN 的優(yōu)勢
GaN HEMT 晶體管與 Si MOSFET 命名其各個端子的方式完全相同，具有柵極、漏極和源極。借助于柵極和源極之間的二維電子氣體（2DEG），它們實現(xiàn)了極低電阻，由于提供有電子池，因此可有效地實現(xiàn)短路。當不加?xùn)艠O偏壓（VGS = 0V）時，p-GaN 柵極將停止導(dǎo)通。GaN HEMT 是雙向器件，這一點與硅器件不同。因此，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則可能會產(chǎn)生反向電流。GaN HEMT 晶體管具有潔凈的開關(guān)波形，這也是其優(yōu)勢所在，主要是沒有 Si MOSFET 中常見的體二極管（圖 2）。這是與 PN 結(jié)相關(guān)的大量開關(guān)噪聲的原因。
業(yè)界已經(jīng)證實，在無散熱片情況下，D 類放大器設(shè)計可向 8Ω負載提供 160W 功率。一種此類原型采用了 IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT 與 200V D 類驅(qū)動器 IRS20957S（圖 3），這種特殊的開關(guān)其 RDS（on）（max）僅為 70mΩ。如果使用散熱器，則放大器可以輸出高達 250W 的功率，并且在 100W 時達到非常卓越的 0.008％THD+N。從零電壓開關(guān)到硬開關(guān)可能會導(dǎo)致 THD+N 測量值出現(xiàn)駝峰。工作在 500 kHz 頻率時，該設(shè)計沒有表現(xiàn)出明顯的失真變化（發(fā)生在幾瓦情況下），并且硬開關(guān)區(qū)域保持非常安靜和清潔。
總結(jié)
多年來，設(shè)計人員一直在使用 Si MOSFET 進行 D 類放大器設(shè)計，這要歸功于其在性能優(yōu)化方面不斷取得的進步。然而，要進一步改進 Si MOSFET 功能和特性已經(jīng)非常困難。此外，降低 RDS（on）將需要更大的晶片尺寸，導(dǎo)致更難以構(gòu)建緊湊的音頻放大器設(shè)計。然而，GaN HEMT 突破了這一限制，同時也消除了 Qrr，再加上較低的 Coss 以及在較高開關(guān)頻率下運行的能力，可以創(chuàng)建體積更小、更加緊湊的設(shè)計，通常情況下無需使用散熱器。所進行的 THD+N 測量還表明，這項新技術(shù)可以實現(xiàn)出色的音頻性能。
