Технология GaN в усилителе мощности [перевод]

В философском смысле существуют разные уровни технологий, но чаще всего имеются ввиду фундаментальные и прикладные технологии. Примером первых может быть изобретение транзисторов в Bell Labs в 1940-х годах. Движущей силой фундаментального прогресса были телекоммуникации, гораздо более широкий рынок, чем аудио, но доступность устройств, использующих эту новую технологию, изменила рынки бытовой электроники.

После того, как концепция управления потоком электронов в полупроводнике утвердилась, встал вопрос о применении этой технологии в таких областях, как аудио. С годами на основе фундаментальных телекоммуникационных технологий были созданы специализированные аудиоустройства. Аудио не было движущей силой технологических изменений, но стало счастливым обладателем их преимуществ.

Точно так же интегральные схемы (ИС), компьютерные сети, оптоэлектроника, лазеры, микромеханические устройства и нанотехнологии не были созданы для звука, но получили в нем быстрое распространение, как только стали коммерчески доступными — из-за огромных преимуществ в производительности, эффективности и надежности. Конечно, и в наши дни хватает аудио с использованием экзотических материалов, таких как графен, углеродные нанотрубки и тому подобное.

В то время как некоторые технологические инновации представляются скорее модными словечками и уловками, полупроводниковые устройства на основе нитрида галлия (GaN) представляют собой реальное улучшение и показывают перспективны для роста возможностей в потребительском и профессиональном аудио. В этой статье я кратко расскажу, что такое GaN, почему он важен в целом и для аудио в частности, а также приведу пару примеров из реальной жизни.

GaN в двух словах

GaN — полупроводник с широкой запрещенной зоной (3,4 эВ по сравнению с 1,1 эВ для кремния и 0,67 эВ для германия), первоначально использовавшийся в оптоэлектронике. Его широкая запрещенная зона означает, что испускаемые фотоны имеют высокую энергию и, следовательно, короткую длину волны. Появление GaN (аналогично арсениду галлия) было ключом к созданию эффективных синих светодиодов. Основное их отличие от кремния заключается в том, что связь галлий-азот является полярной: значит, могут быть сформированы структуры с одним измерением (параллельным связи Ga-N), сильно отличающимся от двух других.

Более широкая запрещенная зона позволяет устройствам на основе GaN иметь повышенное напряжение пробоя и выдерживать более высокие рабочие температуры. Кроме того, GaN является полупроводником с прямой запрещенной зоной, то есть таким, в котором верхняя часть валентной зоны и нижняя часть зоны проводимости имеют одинаковый импульс. Это ключ к его применимости в оптоэлектронике, потому что продвижение электронов из валентной зоны в зону проводимости требует лишь поглощения фотона с энергией, равной или превышающей ширину запрещенной зоны, а не того, чтобы фотоны взаимодействовали с фононами решетки, как в случае полупроводников с непрямой запрещенной зоной.

Уникальная структура кристаллов GaN позволяет создавать тонкие слои с исключительно высокой подвижностью электронов, определяемой как отношение скорости электронов к напряженности поля. Таким образом, электроны с высокой подвижностью могут быть разогнаны до высокой скорости, что подразумевает высокую достижимую скорость и эффективность устройства.

Поскольку электроны в вертикальном направлении ограничены очень тонким слоем, но имеют высокую подвижность в двух горизонтальных измерениях, они ведут себя, как частицы в газе (т.е. почти полностью свободны в движении с низким рассеянием). В результате этот слой назвали «two-dimensional electron gas» — «двумерным электронным газом» или 2DEG. Этот самый 2DEG и является ключом к эффективности и быстродействию GaN-устройств.

Таким образом, у нас фактически есть слой высокомобильных электронов. Проводимость должна быть переключаемой, как затвор в обычном полевом МОП-транзисторе, поэтому в устройстве создается обедненная область. Затем электрод затвора используется для увеличения подвижности и плотности электронов в этой области для включения устройства. По сравнению с кремнием GaN является более дорогим материалом и требует более сложного оборудования (то есть, больших капиталовложений) для изготовления компонентов.

Чтобы решить эту проблему, производители разработали процессы, позволяющие изготавливать GaN на кремниевой подложке. Типичная конструкция такого GaN-транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) показана ниже. Затвор может быть либо изолированным, с использованием поля для включения проводимости, либо в виде гетероперехода с различной шириной запрещенной зоны, для обеднения в условиях нулевого напряжения на затворе.

Помимо повышенной подвижности электронов, скорость GaN HEMT дает и другие преимущества. Во-первых, само сопротивление затвора достаточно низкое, так как электроды могут быть изготовлены из металла, а не, например, из нитрида кремния. Во-вторых, пороговое напряжение затвора (Vth) значительно ниже (не менее, чем, примерно, вдвое), чем у кремниевых МОП-транзисторов. Для устройств GaN Systems Vth составляет около 1,5 В, при полном включении на 5 В Vgs. В-третьих, в отличие от обычных полевых МОП-транзисторов, здесь нет внутреннего диода. Это означает, что обратное восстановление радикально снижается, почти до нуля. Если в цифрах, QRR для кремниевого MOSFET — не меньше 1000 нКл и будет варьироваться в зависимости от скорости заряда/разряда, тогда как HEMT от GaN Systems будет иметь QOSS около 60 нКл. Это приводит к более быстрому и четкому переключению, что позволяет сократить задержку и, как следствие, уменьшить искажения.

Основные принципы работы и структура GaN HEMT обеспечивают обратную проводимость через тело структуры (слева), в отличие от полевых МОП-транзисторов (справа). В результате внешний диодный тракт также не требуется, что упрощает конструкцию. Из-за более низких паразитных зарядов коммутационные токи также намного чище, с гораздо меньшим «звоном». Это означает, что подавление электромагнитных помех (ЭМП) может быть намного проще.

Платы GaN Systems EVAL Boards

GaN Systems, канадский производитель полупроводников — один из ведущих поставщиков силовых устройств GaN для автомобильной, силовой и бытовой электроники. Чтобы помочь разработчикам и OEM-производителям в создании аудиоусилителей с использованием технологии GaN, GaN Systems продает оценочные платы с эталонной конструкцией усилителя и прилагаемым блоком питания.

Эти устройства были разработаны для GaN Systems Скипом Тейлором (Skip Taylor) из Elegant Audio Solutions (EAS), конструкторской и инженерной фирмы из Остина, штат Техас. Схемы источника питания и усилителя мощности звука могут быть легко адаптированы для конкретных задач, но они предназначены показать предпочтительные методы проектирования с хорошим компромиссом между стоимостью и производительностью при оптимизации эффективности и преимуществ охлаждения их GaN-устройств. 

Референсный источник питания GaN Systems доступен либо со входом 12 В постоянного тока для автомобильных конструкций, либо со входом от 85 В переменного тока до 264 В переменного тока для домашнего аудио. Источник питания выдает ±32 В постоянного тока мощностью до 400 Вт с эффективностью более 90% на полной мощности. Он также предусматривает управление коэффициентом мощности на основе контроллера PFC NCP1654. Цепь питания — полумостовая резонансная схема LLC, причем как в PFC, так и в цепи питания в качестве силовых устройств используются HEMT GaN System GS66506T с номинальным напряжением 650 В.

Одним интересным аспектом этого источника питания является использование простой модификации схемы, управляющей HEMT. Поскольку GaN HEMT имеют другие требования к управлению (более низкое пороговое напряжение), чем обычные MOSFET, у разработчика есть выбор между использованием контроллеров/драйверов, созданных для схем MOSFET, или контроллеров/драйверов, специально разработанных для устройств GaN.

Первый вариант часто выбирают из-за конструктивных особенностей, включенных в «старую» технологию, и более низких затрат. Чтобы обеспечить совместимость драйвера MOSFET с устройством GaN, некоторые устройства GaN имеют встроенные драйверы, которые, уже в свою очередь, управляются внешним контроллером/драйвером MOSFET. Это, конечно, увеличивает избыточность и стоимость схемы.

Вместо этого в источнике питания от GaN Systems используется то, что они называют «EZ Drive», который позволяет применять контроллер/драйвер MOSFET (например, IRS2795) без второго драйвера, встроенного в устройство GaN. Схема EZ Drive удивительно проста и элегантна и состоит из двух резисторов, конденсатора и зажима Зенера. 

Сама плата усилителя удивительно гибкая. Он имеет как аналоговые (RCA и разъем 3,5 мм), так и цифровые (оптический и коаксиальный SPDIF) входы, которые можно выбрать с помощью кнопочного переключателя. Также предусмотрен поворотный оптический энкодер для регулировки громкости. В силовых каскадах используется полностью мостовая выходная схема с заземлением, управляемая парой полумостовых контроллеров (TI LM5113), разработанных специально для схем GaN.

Выходные устройства — GS61008P, рассчитанные на 100 В, 90 А. GaN Systems выбрала эти устройства вместо HEMT на 650 В, используемых в источнике питания, из-за немного более легкой раскачки и меньших потерь. Выходные клеммы представляют собой простые винтовые разъемы. Одной интересной деталью является использование соединения Кельвина от драйвера к источникам HEMT вместо того, чтобы соединять их все в одной точке. Это может привести к уменьшению искажений на несколько децибел, когда мы переходим к сверхнизким уровням искажений. Хорошее внимание к деталям.

Очень интересной особенностью платы GaN Systems EVAL является опция «замкнутый-разомкнутый контур», которую можно выбрать с помощью кнопочного переключателя на плате. В режиме с обратной связью аудиосигналы с каждой стороны мостовых выходов подаются на дифференциальный усилитель, выход с которого затем используется в качестве несимметричного сигнала обратной связи для предыдущего каскада. В режиме без обратной связи эта общая петля обратной связи размыкается, а усиление перенастраивается в потоке сигнала. Это хорошая демонстрация возможностей выходного каскада GaN.

Обратите внимание, что режим без обратной связи удаляет только общую петлю обратной связи; локальная обратная связь вокруг операционных усилителей, используемых в тракте, остается. Я также должен отметить, что обратная связь берется от выходных HEMT непосредственно перед дросселем выходного фильтра, поэтому сам дроссель всегда остается вне контура обратной связи. Утверждалось, что это может иметь ощутимые последствия, но на сегодняшний день я не знаю ни одного тщательного двойного слепого сравнения, подтверждающего это.

Прежде чем начать экспериментировать с возможностями платы, я на полдня подключил ее к своей лабораторной системе, просто для того, чтобы понять, на что ориентироваться. Плату EVAL я подключил к оптическому входу SPDIF. В режиме обратной связи она звучала так же, как и усилитель, который был до нее (и это хорошо!). При переключении на разомкнутую петлю усиление упало, что говорит о том, что в обработке звука происходило что-то помимо простого разрыва петли. И после того, как уровни были согласованы, он звучал немного иначе, чем в режиме с обратной связью на моих эталонных усилителях. И звучание это было знакомо: одно из моих хобби — проектирование и сборка ламповых усилителей, и, черт возьми, это звучит точно так же, как один из них! 

Это заставило меня взглянуть на некоторые основные параметры. По ряду причин мне не удалось воспользоваться утилитой измерения импеданса источника Audio Precision, поэтому я измерил его вручную, сопоставив значения выходного напряжения сопротивлению нагрузки. Исходя из этого, я мог рассчитать импеданс источника, который для режима с обратной связью составлял около 0,15 Ом на частоте 1 кГц. В режиме без обратной связи импеданс источника увеличился почти до 1 Ом.

На частоте 20 кГц различия были еще более значительными: сопротивление замкнутого контура составляло около 1 Ом, а разомкнутого — почти 2,5 Ом. Эти импедансы будут взаимодействовать с нагрузкой громкоговорителя (которая сильно зависит от частоты для большинства колонок), создавая различия в частотной характеристике. И это объясняет мой субъективный вывод о сходстве с моим ламповым усилителем. То есть, режим без обратной связи может быть отличным способом получения так называемого «лампового звука»! Для дальнейшего тестирования я оставил усилитель в режиме обратной связи.

Поставив усилитель на лабораторный стол, я сначала изучил выходной сигнал при отсутствии входного сигнала. Осциллограмма показывает, что частота колебаний соответствует спецификации и составляет 384 кГц. Уровень на выходных клеммах составляет около 500 мВ, что является нормой для усилителей этого класса, абсолютно несущественной для динамиков.

Интересно, что сигналы для двух каналов были скорей квадратурными, чем синхронизированными по фазе. На вопрос об этом Скип Тейлор из EAS ответил, что это сделано намеренно, с целью уменьшить электромагнитные помехи. Я не могу проверить эту информацию, но она кажется правдоподобной. Спектр широкополосного шума подтверждает, что здесь преобладает частота переключения, а все остальные ультразвуковые пики — ниже -85 дБВ. Я спросил о выборе этой частоты, поскольку GaN HEMT способны переключаться на гораздо более высоких частотах. 

Упомянутая топология обратной связи интересно влияет на шум. На графике показан спектр шума при отсутствии входного сигнала в режимах разомкнутой и замкнутой цепи. В обоих случаях спектр «выталкивается» из слышимого диапазона в ультразвук.

Но обратите внимание, что разомкнутая петля показывает минимальный уровень шума примерно на 15 дБ ниже в слышимом диапазоне (более подробно показано на графике). Вероятно, это связано с тем, что выходной шум дифференциального усилителя в контуре обратной связи возрастает на блоках усиления, предшествующих микросхеме драйвера. Вариант с обратной связью ни в коем случае не «шумный», мы говорим о разнице между неслышимым и совсем неслышимым. Тем не менее, это, по крайней мере, теоретическое и измеримое преимущество для работы без обратной связи в данной топологии. 

Быстрая проверка выходной мощности показала, что с блоком питания, прилагаемым к плате EVAL, отсечка началась при 150 Вт на фиктивную нагрузку 8 Ом на оба канала. При уменьшении нагрузки до 4 Ом мощность усилителя фактически снизилась до 120 Вт, — это говорит о том, что «ограничителем» здесь является блок питания. 

На графике показан спектр искажений при мощности 5 Вт и фиктивной нагрузке 8 Ом. Доминирующим компонентом является третья гармоника, сниженная не менее чем на 105 дБ. Это отличный результат. 

Также превосходна относительно низкая частотная зависимость искажений. Из-за фильтра AES17 измерения действительны только до частоты немного ниже 7 кГц (доминирующая третья гармоника будет располагаться выше полосы измерений), но очевиден ее очень медленный рост с частотой.

Один вопрос, который возникает снова и снова при обсуждении усиления, особенно новых технологий класса D, — это влияние реальных нагрузок на работу колонок. Один из громкоговорителей, который я регулярно использую, — это старый двухполосный мини-монитор NHT. Его измеренный импеданс показан на графике.

Я использовал такой импеданс для создания реактивной фиктивной нагрузки, но в моих обсуждениях с EAS они пришли к выводу, что реальный динамик ведет себя иначе, чем куча катушек, конденсаторов и резисторов. Поэтому я стиснул зубы, заткнул уши и провел несколько измерений развертки при напряжении 6,3 В (что соответствует 5 Вт на 8 Ом). На графике показана частотная характеристика EVAL с реальной колонкой. Взаимодействие между выходным импедансом и реактивной нагрузкой на динамики вызывает подъем примерно на 0,25 дБ в двух верхних октавах. 

Зависимость искажений от частотной развертки при нагрузке динамика показана на графике ниже. Имеются некоторые пики и провалы, коррелирующие с изменениями импеданса динамика, но искажения все еще очень низкие и в целом ровные. Это отличные характеристики для предполагаемого применения — управления динамиками. 

После проверки базовых параметров пришло время рассмотреть некоторые возможности DSP платы EVAL. Обработкой звука занимается процессор Renesas D2Audio 92633. Он программируется с помощью ключа SCAMP7 (приобретается отдельно), который подключается к порту на плате и к компьютеру по USB. Программное обеспечение Audio Canvas III от Intersil (не путать с одноименным программным обеспечением для создания музыки) позволяет программировать прошивку платы. Его возможности включают аппаратную настройку, прохождение сигнала, преобразование сигнала и DSP. Этому ПО около десяти лет, поэтому интерфейс кажется немного неуклюжим; тем не менее, он довольно прост в использовании и интуитивно достаточно понятен.

С подключенным ключом и установленными драйверами вы можете выбрать плату EVAL, после чего у вас будет доступ к настройкам оборудования. На скриншоте показан один из наиболее важных параметров — синхронизация широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Здесь вы можете настроить частоту переключения, «мертвое время» и межканальную задержку в сигнале переключения. Это параметры, которые будут иметь сильное влияние на искажения и эффективность схемы — и их проще всего настроить неправильно и превратить GaN в хлам. Так что с этим мощным инструментом нужно обращаться осторожно. 

Завершив настройку оборудования, можно приступить к работе с потоком аудиосигнала. На скриншоте показан поток сигналов по умолчанию для платы EVAL, которым можно управлять. В нашем случае я добавил пятиполосный модуль эквалайзера в один канал, перетащив его с помощью графического интерфейса программы.

Далее изображен конкретный, реализованный мной эквалайзер — его можно настроить, введя значения в таблицу или просто двигая точки на кривой частотной характеристики. Программное обеспечение можно настроить так, чтобы изменения сразу поступали на усилитель, тогда их влияние можно услышать или измерить в режиме реального времени. 

Программное обеспечение предоставляет несколько десятков опций для DSP, включая эквалайзер, кроссоверы, регуляторы тембра, задержку, сжатие, перекрестную подачу и ограничение. Кроме того, функции могут быть вложены в настраиваемые модули, так что, на этой плате можно обеспечить очень сложную систему DSP. Я считаю, что это особенно полезно при разработке активных громкоговорителей и даже в мелкосерийном производстве.

Одно примечание: настройка по умолчанию специфична для платы EVAL. В руководстве EVAL EAS специально об этом предупреждает и о последствиях ее изменения (в отличие от добавления функций). Я, конечно, считал, что все знаю лучше, и стал переделывать по-своему. Грозные предупреждения в руководстве более точны, чем моя самооценка. К счастью, Скип Тейлор, мое контактное лицо службы поддержки от GaN Systems, терпеливо помог мне исправить мои ошибки и вернуть все к исходному варианту. Мораль: верьте документации.

Выводы

Я хочу начать этот раздел с краткого комментария к «Собаке, которая не лаяла» (отсутствие ожидаемого из рассказа А. Конан Дойля «Синее пламя» — прим. пер.) Рыночными движущими силами технологии GaN являются электромобили и зарядные устройства, где повышенная эффективность GaN — неоспоримое преимущество. В них высокое энергопотребление — основной вариант использования. Однако звук отличается тем, что большую часть времени выходная мощность относительно невелика.

Давайте возьмем пример, когда усилитель A работает с эффективностью выходного каскада 85%, а усилитель B работает с эффективностью выходного каскада 95%. Тогда, если требуется, скажем, 5 Вт энергии, при мощности звука 1 Вт общая рассеиваемая мощность усилителя A составит 5,15 Вт, тогда как B будет рассеивать 5,05 Вт. Это не слишком существенная разница.

Реальный прирост эффективности мы увидим на высоких мощностях. Например, при мощности 100 Вт усилитель A будет рассеивать 20 Вт, а усилитель B — 10 Вт. Это гораздо важнее. Но это также не обычное использование и в большинстве случаев не отражает фактическую используемую мощность. Так что, как правило, рекламируемые преимущества, хотя и реальны, в целом не будут огромными.

Тем не менее, устройства GaN работают прохладно, спокойно и собранно. Плата EVAL предоставляет практически любые функции и возможности программирования, которые могут понадобиться разработчику. В качестве референсного проекта она может стать отличной отправной точкой для разработки новых вариантов усилителей мощности звука. В следующей статье я покажу реальный пример с почти современными возможностями в крошечном легком корпусе.

Теоретически, вы можете поместить эту плату в коробку, проложить несколько проводов — и получить полнофункциональный высокопроизводительный интегральный усилитель. Или использовать ее для разработки (или создания) активных громкоговорителей с функциями DSP. В режиме разомкнутого контура звук очень похож на ламповый усилитель хорошего качества.

Сочетание превосходной инженерной мысли и замечательной технологии, это устройство стоит недёшево (1265 долл. США), но обеспечивает высокие производительность, гибкость и соотношение цены и качества.

ОБНОВЛЕНИЕ: Перед публикацией компания GaN Systems объявила о выпуске версии Gen 2 этого оценочного комплекта, отличающегося компактным блоком питания и улучшенной схемой защиты аудиоплаты. Компания также заявляет о дальнейшем повышении эффективности и тепловых характеристик. GaN Systems также представила новый новаторский референсный аудиоусилитель мощностью 500 Вт на основе GaN, в котором объединены силовые транзисторы GaN и технология контроллера класса D от голландской компании Axign (реализация цифрового контура управления с обратной связью за выходным фильтром на клеммах громкоговорителя), открывающий новые интересные возможности.