تحسين جودة الصوت باستخدام نيتريد الغاليوم (GaN)

تتفوق إلكترونيات الطاقة الحديثة بسرعة على قدرات الأداء القصوى لأجهزة السيليكون من حيث المتطلبات والتطبيقات. مع تقدم تصنيع المواد ذات فجوة الحزمة الواسعة (WBG) والمزيد من أجهزة WBG التجارية (مثل GaN) ، يقوم المصممون بتوسيع نطاق التطبيقات للاستفادة من مزايا الأداء على الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون.

تعد مكبرات الصوت من الفئة D واحدة من أكثر مجالات التطبيق الواعدة ، ولكن في نفس الوقت أقل استكشافًا ، لأجهزة HEMT GaN ذات الوضع المحسن. ستقدم هذه المقالة رؤى متعمقة حول كيفية تفوق أجهزة الطاقة GaN في صوت الفئة D على وحدات MOSFET السيليكونية المتوفرة حاليًا من حيث الأداء والكفاءة وجودة الصوت.

خصائص GaN

نظرًا لكونه مادة ذات فجوة نطاق عريضة (WBG) ، فإن نيتريد الغاليوم يتميز بفجوة طاقة كبيرة ، تُعرف أيضًا باسم “النطاق المحظور”. بالمقارنة مع السيليكون ، تتطلب إلكترونات GaN المزيد من الطاقة لتمريرها من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ذي الحالة الأعلى. نظرًا لأن عرض فجوة النطاق يتناسب طرديًا مع قوة المجال الكهربائي المطلوب لإجبار أشباه الموصلات على الانهيار ، يمكن أيضًا أن تعمل أجهزة GaN بجهد أعلى. تحظى GaN باهتمام كبير في العديد من تطبيقات إلكترونيات الطاقة نظرًا لفجوة النطاق العريضة ، والمجال الكهربائي الحرج الكبير ، والتنقل العالي للإلكترون ، والتوصيل الحراري الممتاز.

تم تحقيق تنقل أعلى باستخدام تقنية معالجة HEMT GaN. توفر قناة غاز الإلكترون ثنائية الأبعاد الجانبية (2DEG) المتكونة على هيكل مغاير متغاير AlGaN / GaN كثافة شحنة عالية وقابلية للتنقل. نظرًا للانقطاع عند هذا التقاطع بين نطاقي التوصيل AlGaN و GaN ، يركز 2DEG بشكل أكبر ويزيد من قابلية التنقل. في الوضع المحسن HEMT GaN ، يتم تحسين سماكة طبقة AlGaN الواقعة أسفل منطقة p-GaN لإنشاء عملية إيقاف التشغيل بشكل طبيعي. بالمقارنة مع Si MOSFETs الشائعة ، فإن أجهزة E-HEMT GaN لها شحنة بوابة أقل (Q_جي) وانخفاض المقاومة (R_{DS (تشغيل)}). ينتج عن هذا متطلبات شحن أقل وتحولات تحويل أسرع.

على عكس السيليكون و SiC MOSFETs ، لا تحتوي GaN E-HEMT على صمام ثنائي للجسم ولا توجد خسارة عكسية في الاسترداد. أثناء الوقت الميت ، عندما تكون البوابة مغلقة ، تظهر الطبقة 2DEG مثل الصمام الثنائي ؛ هذا يعني أن GaN 2DEG يمكن أن يعمل في الربع الثالث ، وليست هناك حاجة للديود المتوازي المضاد. تمكن GaN من التشغيل عالي الكفاءة بترددات تحويل أعلى عن طريق قمع خسائر الاسترداد العكسي. خاصية أخرى رائعة لـ GaN E-HEMT ، والتي سنعود إليها بالتفصيل لاحقًا ، هي سرعة التحول في التشغيل وإيقاف التشغيل ، مما يؤدي إلى انخفاض فقدان التبديل.

تتمثل مزايا الأداء الرئيسية لـ GaN في قدرتها على درجات حرارة تشغيل أعلى ، وجهود حظر أعلى ، وتبديل أسرع مع خسائر مماثلة لتلك الخاصة بأحدث الأجهزة الإلكترونية للطاقة Si. يجب التأكيد على أن إنتاج GaN ومعالجته قد تقدموا بشكل كبير مؤخرًا وسوف يفعلون ذلك في المستقبل طالما أن هناك طلبًا على بدائل عالية الأداء لـ Si.

مضخم صوت من الفئة D

يتكون مضخم الصوت التناظري الأكثر وضوحًا من ترانزستورات تعمل في الوضع الخطي وتوفر جهد خرج يمثل نسخة طبق الأصل من جهد الدخل. يمكن أيضًا تضمين حلقة التغذية المرتدة ذات الكسب العالي لتحسين الأداء عن طريق قمع التشوه الناجم عن عدم الخطية في القناة الأمامية وخفض ضوضاء مصدر الطاقة عن طريق رفع رفض مصدر الطاقة.

يمكن تجميع مضخمات الصوت في أربع فئات رئيسية: A و B و AB (جميع مكبرات الصوت الخطية) و D (مضخم PWM). تقدم مكبرات الصوت من الفئة A الأداء الأكثر تميزًا فيما يتعلق بالتشوه ولكنها تنتج الكثير من الحرارة بسبب كفاءتها المنخفضة. تعمل كل من مكبرات الصوت من الفئة B والنوع الهجين من الفئة AB على تحسين الفئة A من حيث الكفاءة ولكن بسعر أقل دقة الصوت والتشويه. تتميز طوبولوجيا الفئة D ، والمعروفة أيضًا بمكبر الصوت “PWM” ، بكفاءة بنسبة 100٪ نظري و 90٪ قابلة للتحقيق.

تتمثل الفائدة الأساسية للفئة D على فئات المضخمات الأخرى في تقليل تبديد الطاقة بشكل كبير ، والذي يترجم مباشرة إلى حرارة أقل وتصميم دائرة أكثر إحكاما وعمر بطارية أطول في الأجهزة المحمولة. يتم تحويل إشارة الإدخال إلى إشارة تعديل رمز النبض (PCM) ، والتي تستخدمها مضخمات الفئة D لدفع مرحلة إخراج الدفع والسحب.

بدلاً من الترانزستورات الخطية ثنائية القطب التقليدية مثل مكبرات الصوت من الفئة AB ، تستخدم مكبرات الصوت من الفئة D مفاتيح FET عالية السرعة في مرحلة الإخراج. على الرغم من أن المفهوم الأصلي لمكبر الصوت من الفئة D يعود إلى الخمسينيات ، إلا أن أداؤه يعاني من عدم وجود مفتاح “مثالي” لأشباه الموصلات. أدى ظهور تقنية GaN إلى تقريب مكبر الصوت من الفئة D القائم على PWM خطوة واحدة إلى مكبر الصوت “المثالي”. للحصول على معدلات طاقة أكبر ، يتطلب مضخم صوت من الفئة D مستوى R أقل_{DS (تشغيل)} وتحولات تحويل أسرع وأنظف ، وعادة ما تكون المقايضات العكسية لـ Si MOSFETs. هذا هو السبب في أن GaN يمكن أن يكون مفيدًا جدًا لمكبرات الصوت من الفئة D.

تؤثر خصائص ترانزستورات القدرة المستخدمة على مدى جودة إنتاج مكبر الصوت للصوت ، كما هو موضح بواسطة THD (التشوه التوافقي الكلي) ، و DF (عامل التخميد) ، و IMD (تشويه التشكيل البيني). يسمح أداء التحويل شبه المثالي لأجهزة GaN بأوقات ميتة قصيرة جدًا لإنتاج تشوه منخفض في الحلقة المفتوحة ، وخفض THD وإجمالي الخسائر. أصبح هذا ممكنًا بسبب تأخيرات انتشارها المنخفضة ، ومعدلات انتشارها الأسرع (نظرًا لانخفاض سعة البوابة) ، و صفر Q_RR. يعمل هذا على تحسين الجودة الصوتية لمكبرات الصوت من الفئة D ويقلل من الخسائر الإجمالية.

يوضح الشكل 1 مقارنة بين الأشكال الموجية التالية:

• شكل موجة التبديل المثالي (أخضر): إشارة شكل موجة مربعة مثالية
• شكل موجة تبديل MOSFET (أحمر): شكل موجة التبديل الناتج عن MOSFET القائم على Si
• شكل موجة التبديل eGaN (أزرق): شكل موجة التبديل الذي تم إنشاؤه بواسطة جهاز تبديل EPC eGaN.

يمكننا أن نلاحظ قريبًا كيف أن شكل الموجة الذي ينتجه الجهاز القائم على GaN هو الذي يقترب بشكل أفضل من إشارة التحويل المثالية.

استخدام الجاليوم في مكبر من الفئة D

اكتسبت ترانزستورات طاقة نيتريد الغاليوم مؤخرًا شعبية لمكبرات الصوت من الفئة D نظرًا لكثافة طاقتها العالية وقدرات تردد التبديل. تتضمن بعض مزايا استخدام الأجهزة القائمة على GaN في مكبرات الصوت من الفئة D ما يلي:

• كفاءة عالية – يتميز GaN بمقاومة منخفضة جدًا على الحالة ، مما يولد حرارة أقل وكفاءة أعلى. وهذا يترجم إلى استهلاك أقل للطاقة ، وعمر أطول للبطارية في الأجهزة المحمولة ، وانخفاض الطلب على متطلبات إمدادات الطاقة
• التبديل السريع – يمكن لـ GaN التبديل عند ترددات عالية جدًا ، مما يجعله خيارًا ممتازًا لمكبرات الصوت من الفئة D ، والتي تتطلب التبديل السريع للترانزستورات الناتجة لتوليد إشارة PWM
• كثافة طاقة عالية – يمكن أن تعمل GaN عند الفولتية ودرجات الحرارة الأعلى من وحدات MOSFET التقليدية المصنوعة من السيليكون أو ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب ، مما يجعلها مثالية للتطبيقات عالية الطاقة في عوامل الشكل المدمجة ، بما في ذلك السماعات المحمولة ومضخمات الصوت ونظام المعلومات والترفيه في السيارات وأنظمة الصوت
• جودة صوت أفضل – ينتج عن التشغيل عالي التردد لـ GaN إشارة أوضح وأكثر دقة. من خلال التصميم المناسب ، يمكن أن توفر GaN صوتًا عالي الدقة ، وتقليل THD + N ، ونسبة SNR عالية ، والتي تعد ضرورية لتطبيقات الصوت المتطورة.

من خلال مقارنة أشكال موجة التبديل لمفتاح الطاقة القائم على السيليكون و GaN ، يمكننا قريبًا أن ندرك كيف يمكن لـ GaN أن تحدث فرقًا أيضًا في مكبرات الصوت من الفئة D.

يقارن الشكل 2 بين أشكال موجة التبديل لوحدة Si MOSFET ووضع Infineon CoolGaN المحسّن HEMT (ترانزستور التنقل العالي للإلكترون). كما يتضح ، شكل موجة CoolGaN أنظف وأسرع بكثير.