傳(chuan)統(tong)的(de)音(yin)頻(pin)放(fang)大(da)技(ji)術(shu)是(shi)一(yi)個(ge)充(chong)滿(man)挑(tiao)戰(zhan)的(de)領(ling)域(yu)
，發(fa)燒(shao)友(you)們(men)對(dui)於(yu)構(gou)成(cheng)家(jia)庭(ting)音(yin)頻(pin)最(zui)佳(jia)設(she)置(zhi)的(de)要(yao)素(su)有(you)明(ming)顯(xian)不(bu)同(tong)意(yi)見(jian)。對(dui)於(yu)那(na)些(xie)堅(jian)持(chi)使(shi)用(yong)經(jing)典(dian)放(fang)大(da)器(qi)拓(tuo)撲(pu)架(jia)構(gou)的(de)用(yong)戶(hu)
，他(ta)們(men)的(de)要(yao)求(qiu)主(zhu)要(yao)集(ji)中(zhong)體(ti)現(xian)在(zai)準(zhun)確(que)的(de)音(yin)頻(pin)再(zai)現(xian)方(fang)麵(mian)，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)用(yong)電(dian)效(xiao)率(lv)。雖然這在家庭音頻環境中完全合理
，但在許多其它應用中都要求較高的放大器效率。這或許是為了節省能源，並延長電池壽命
，或是為了減少散熱，從而使產品更致密、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域，並以最小失真完美地再現輸入音頻信號。研究表明
，這種設計理論上可以實現高達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、數字增強型無繩電信（DECT）手機和藍牙揚聲器等電子產品中，效率低下會對電池壽命產生巨大影響。像在電子行業的大多數其他領域（如電源轉換器）一樣
，使用開關技術，而非線性技術的設計方法似乎能夠有望實現突破。

 

D類放大器首先是在上世紀50年代出現，它使用一對開關器件進行推/挽配置（圖1）。脈衝寬度調製（PWM）信號占空比由輸入音頻信號控製，可確保開關器件處於打開或關斷狀態
，從而將其線性區域的操作保持在最低水平。這不僅能夠實現100％的理論效率
，而且還具有零失真的潛力。 

 

 

當時，市場上隻有鍺晶體管
，但是它經過證明不適合這種開關拓撲架構的需求，因此早期的放大器設計並不成功。直到後來，隨著MOSFET技術的出現，D類lei設she計ji才cai得de起qi死si回hui生sheng。如ru今jin，此ci類lei放fang大da器qi因yin其qi高gao能neng效xiao而er在zai各ge個ge領ling域yu得de到dao廣guang泛fan應ying用yong。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控kong製zhi單dan元yuan等deng設she計ji中zhong，緊jin湊cou性xing是shi一yi項xiang非fei常chang迫po切qie的de要yao求qiu，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。

 

基於GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）是一種新技術，可用作D類設計中的開關器件，並可提供更高的效率和音頻質量。

 

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，開關器件需要具備低導通電阻，以最大程度地降低I2R損耗。GaN器件具有比Si MOSFET低得多的導通電阻，並且可以通過較小的芯片麵積實現。反過來，這種小芯片封裝也可以幫助設計師將更多緊湊型放大器推向市場。

 

開關損耗是另一個需要充分考慮的因素。在中、高功率輸出時，D類放大器的性能非常出眾。但是

，由於功率器件中的損耗，功率輸出最低時的效率也最低。

 

為了克服這一挑戰
，一些Dleifangdaqicaiyongliangzhonggongzuomoshi。zaibofangdiyinliangyinpinshi，zhezhongduojijishuxianzhilegonglvqijiankeyiqiehuandaodeshuchudianya。yidanshuchuyinliangdadaoshedingdeyuzhi
，kaiguandeshuchudianyaguijiuhuizengda，congerketigongwanzhengdedianyabaifu。weilejinyibujiangdikaiguansunhaodeyingxiang，zaidishuchuliangshikeyishiyonglingdianyakaiguan（ZVS）技術，而在高功率水平時改為硬開關。

 

當使用Si MOSFET實施時，由於功率器件關斷和導通時輸出的非零電壓，硬開關模式會導致體二極管中產生電荷累積。之後，積累的反向恢複電荷（Qrr）需要放電
，這其中需要的時間在PWM控製實施過程中應該考慮。而如果采用GaN進行設計，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
，這樣可以實現更高的總體效率、改進的失真係數以及更清晰的開關波形。

 

放(fang)大(da)器(qi)在(zai)零(ling)電(dian)壓(ya)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)下(xia)工(gong)作(zuo)時(shi)
，由(you)於(yu)輸(shu)出(chu)的(de)轉(zhuan)變(bian)是(shi)通(tong)過(guo)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)換(huan)向(xiang)來(lai)實(shi)現(xian)，可(ke)有(you)效(xiao)消(xiao)除(chu)開(kai)關(guan)中(zhong)的(de)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)和(he)由(you)此(ci)產(chan)生(sheng)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)失(shi)。然(ran)而(er)，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)（shoot-through）問題，即高側和低側開關同時導通的現象。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在導通之前另一個開關完全關斷。需要注意的是，該延遲會影響 PWM 信號，導致音頻輸出失真，因此設計中的一個目標是盡可能縮短延遲，以維持音頻保真度。該延遲的長度取決於功率器件的輸出電容Coss。雖然GaN晶體管尚未完全消除Coss，但明顯低於Si MOSFET器件。因此，使用 GaN 時，其較短的消隱時間會導致更小的放大器失真。

 

盡(jin)管(guan)上(shang)麵(mian)提(ti)到(dao)的(de)改(gai)進(jin)，這(zhe)種(zhong)電(dian)容(rong)中(zhong)儲(chu)存(cun)的(de)能(neng)量(liang)仍(reng)有(you)待(dai)處(chu)理(li)
，在(zai)下(xia)一(yi)個(ge)導(dao)通(tong)周(zhou)期(qi)中(zhong)被(bei)消(xiao)耗(hao)掉(diao)。但(dan)是(shi)這(zhe)些(xie)損(sun)耗(hao)的(de)影(ying)響(xiang)在(zai)較(jiao)高(gao)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(yu) GaN 的設計比 Si放大器具有更高的效率。

 

如何實現GaN 的優勢

 

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。借助於柵極和源極之間的二維電子氣體（2DEG）
，它們實現了極低電阻
，由於提供有電子池，因此可有效地實現短路。當不加柵極偏壓（VGS = 0V）時，p-GaN柵極將停止導通。GaN HEMT 是雙向器件，這一點與矽器件不同。因此
，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則可能會產生反向電流。GaN HEMT 晶體管具有潔淨的開關波形，這也是其優勢所在，主要是沒有Si MOSFET中常見的體二極管（圖2）。這是與 PN 結相關的大量開關噪聲的原因。