цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Почему нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы могут стать отличным вариантом для аудио оборудования


Почему нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы могут стать отличным вариантом для аудио оборудования

Автор: Mike(admin) от 7-12-2021, 23:55

Полевые транзисторы из нитрида галлия (GaN) становятся широко предпочтительными во многих продуктах, от маломощных и недорогих приложений, таких как зарядные устройства, до мощных автомобильных приложений. В основном инженеры впечатляются повышенной эффективностью и удельной мощностью, которую обеспечивает нитрид галлия, что приводит к появлению устройств, которые обладают большей мощностью, чем их кремниевые аналоги.


Тем не менее, высококачественные аудиоусилители теперь все чаще основываются на компонентах из GaN, поскольку плавные характеристики переключения таких полевых транзисторов приводят к тому, что в усилитель вводится меньше слышимого шума. Недавно все известные производители звукового оборудования, включая Technics (Panasonic), анонсировали новое звуковое оборудование, которое содержит технологию GaN. Полевые транзисторы на основе GaN могут переключаться быстрее, чем их аналоги, при чем с более высоким КПД, что позволяет минимизировать размер оборудования. Например, в недавних высококачественных аудиопродуктах коммутация ключей выполняется на частоте 400 кГц, тогда как усилители предыдущего поколения переключаются на частоте 100 кГц.


Но для аудиофилов конечная цель – чистый звук. Это означает, что любой слышимый шум, который может поступать в усилитель, должен быть максимально близок к нулю. Обычно более высокая частота переключения приводит к более высокому уровню электромагнитных помех и более высокому уровню слышимого шума – в точности противоположное тому, чего пытаются добиться производители аудио оборудования. Однако характерное поведение переключения полевых транзисторов на основе GaN отличается от кремниевых устройств. На следующем рисунке сравнивается форма сигнала переключения для типичного кремниевого полевого МОП-транзистора (синяя линия), используемого в высококачественном аудиооборудовании предыдущего поколения, и для нитрид-галлиевых полевых транзисторов (красная линия), которые компания Nexperia производит и продает для того же применения сегодня. Мы можем видеть, что, хотя характеристики полевого МОП-транзистора хорошо подходят для этой задачи, при выключении наблюдается высокая степень звона, а пиковое напряжение 505 В намного выше, чем для устройства на основе GaN. Характеристика GaN намного более гладкая, с пиком всего 420 В.


Почему нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы могут стать отличным вариантом для аудио оборудования

Следует отметить, что кремниевые и GaN-устройства не совсем сопоставимы, поскольку это разные технологии, однако хорошо известно, что плавное переключение, которое может быть достигнуто с помощью GaN-полевых транзисторов, приводит к значительному снижению шума – электрического и звукового. Инженерами-исследователями были проведены измерения, показывающие значительное снижение электромагнитных помех - 10 дБ на частоте 170 кГц - в основном за счет замена кремниевого полевого транзистора на GaN-транзистор в блоке питания мощностью 3 кВт. Хотя спектр шума этой конструкции сильно отличается от слышимой частоты, принцип остается тот же.


Почему переключение GaN-транзисторов «плавнее» с меньшим звоном, чем у кремния? В случае с Nexperia ответ заключается в дизайне устройства. Устройства GaN HEMT работают как полевой транзистор в режиме истощения с естественным «включенным» состоянием. Большинство инженеров предпочитают работать с естественно «выключенными» устройствами при переключении приложений из соображений безопасности и приемлемости. В настоящее время есть два способа обеспечить естественное «отключение» работы – однокристальный режим улучшения (e-mode) или двухчиповый каскодный режим. Структура затвора HEMT p-GaN с электронной модой делает их очень чувствительными к напряжению возбуждения затвора, и они страдают от очень низких пороговых напряжений. По этим причинам Nexperia предпочитает каскодную структуру со сложенными кристаллами, в которой низковольтный полевой МОП-транзистор с низким RDSon (сопротивлением включения) последовательно соединен с естественно «включенным» устройством GaN HEMT (на следующем рисунке). Эта конфигурация обеспечивает прочную и надежную изолированную (диэлектрическую) структуру затвора кремниевого затвора в сочетании с улучшенными характеристиками блокировки напряжения высоковольтного GaN HEMT, эффективно объединяя преимущества естественного рабочего состояния GaN HEMT с безопасность и эксплуатационные преимущества естественно «выключенного» устройства. Еще лучше то, что каскодное устройство может управляться стандартным экономичным драйвером затвора с простым управляющим напряжением 0-10 или 12 В.


Почему нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы могут стать отличным вариантом для аудио оборудования

Для целей минимизации шума каскодная структура предлагает дополнительные преимущества. Nexperia точно соответствует емкостям низковольтного кремниевого МОП-транзистора и GaN HEMT, причем кремниевое устройство действует как фильтр, что приводит к плавной форме волны. Импульсные источники питания обладают отличными возможностями мгновенного подачи питания и могут обеспечивать мощный звук, и оба эти качества подходят для высококачественных аудиоприложений. Однако традиционно к ним относились негативно, поскольку они создают шум из-за операций переключения. По той же причине возникла проблема с более высокими скоростями переключения. Теперь ключи GaN с их более плавным переключением позволяют производителям звукового оборудования переосмыслить это. На следующем рисунке представлены реальные данные, предоставленные одним ведущим производителем, который теперь использует ключи на основе GaN и увеличил скорость переключения своих продуктов до 400 кГц – предыдущие усилители на основе кремния были ограничены до 100 кГц.


Почему нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы могут стать отличным вариантом для аудио оборудования

Шум, производимый источниками питания на основе GaN в новых усилителях (оранжевая линия), значительно меньше, чем у продуктов предыдущего поколения (синяя линия), во всем слышимом спектре от 20 Гц до 20 кГц. Компания использует широкополосную малошумящую схему генерации опорного напряжения и схему управления в новой конструкции. Это обеспечивает стабильное усиление и обеспечивает сверхнизкие шумовые характеристики, стабильные вплоть до низких частот.




© digitrode.ru


Теги: GaN




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий