D級GaN MOSFETアンプはなぜ音がよいのか?

D級GaN MOSFETアンプの音の特徴を動作原理から考察します。

 

まず、入力された音声信号は自励発振している積分器で、

900kHzから450kHz程度のサンプリングレートで三角波に変調されます。

 

つぎに、三角波は比較器で矩形波に変調されて、

レベルシフト回路、デッドタイム回路、ゲートドライバを経由して

GaN MOSFETを駆動します。

 

最後に、GaN MOSFETの出力は積分器にフィードバックされるとともに、

LPFを経由してスピーカーを駆動します。

 

回路構成としてはの3ステップなのですが、音質の面からは、

まず、アナログ信号を非常に高いサンプリングレートで処理して、

パッシブフィルタでスピーカーに出力していることが上げられます。

 

つぎに、積分器のオペアンプは入力信号に対して、

自分自身のクローズドループをオープンループのコンパレータ以降の

GaN MOSFETからのフィードバックによってコントロールしているため、

遅延要素が極めて少ないことが上げられます。

 

最後に、PWMアンプの特徴として、LPFを経由しますが、

常に電源レールの最大値でスピーカーを駆動することがあげられます。

 

例えるなら、ガソリン自動車と電気自動車の加速感の違いといった感じでしょうか。

 

結論として、

GaN MOSFETの高速性をストレートに発揮できるデバイスとシンプルな回路構成が、

高音質を生んでいると考えます。

 

D級GaN MOSFETアンプの参考資料

D級GaN MOSFETアンプ製作のための参考資料をまとめておきます。

 

トランジスタ技術 2008年3月号

特集

大出力でも発熱しない! 小形・軽量化のテクニック

高効率パワー・アンプの作り方

別冊付録

D級アンプの製作[プリント基板付き]

 

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グリーン・エレクトロニクス No.7

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グリーン・エレクトロニクス No.18

30MHz/10kWスイッチング!超高速GaNトランジスタの実力と応用

 

トランジスタ技術SPECIAL No.98

パワー・エレクトロニクス回路の設計

ロスのないスムーズなコントロールを目指して

 

D級GaN MOSFETアンプの積分器の調整

D級GaN MOSFETアンプの積分器の設計方法をまとめておきます。

まず、Application Note AN-1138 IRS2092(S) Functional Description

から自励発振周波数に関する部分を引用します。

Self-Oscillating Frequency

Self oscillating frequency is determined mainly
by the following items in Figure 2.
· Integration capacitors, C1 and C2
· Integration resistor, R1
· Propagation delay in the gate driver
· Feedback resistor, RFB
· Duty cycle
Self oscillating frequency has little influences
from bus voltage and input resistance RIN.
Note that as is the nature of a self-oscillating
PWM, the switching frequency decreases as
PWM modulation deviates from idling.

これによると、自励発振周波数は、

積分器(LT1363)のCR定数だけでなく、

ゲートドライバ(IR2110)のプロパゲーションディレイ(最大150ns程度)と

フィードバック抵抗(入力抵抗との比率でゲインが決まる)

にも依存します。

また、デューティサイクルに応じて

自励発振周波数がPWMの変調に応じて

アイドル時から大きく変わるのは、

自励発振式D級アンプの特徴です。

 

実際の積分器は理想積分器ではないので、

+-5V電源でのLT1363のアウトプットスイング(+-3.4V)が制約になります。

LT1016のコモンモードレンジ(-3.75V~+3.5V)は越えない範囲です。

 

これらの条件を考慮して、

最大入力(最大出力)でも積分器の出力が

アウトプットスイングの範囲に収まるように定数を決定しました。

 

実際の回路図はこちらです。

LTspiceによる過渡応答(20KHz, 1V正弦波入力)はこちらです。

青が積分器(LT1363)の出力でコンパレータ(LT1016)をドライブしています。

緑は積分器の入力です。

赤はD級アンプの出力です。

 

アイドル時の積分器の振幅は+-2.2Vで、

入力に応じてアウトプットスイング(+-3.4V)の範囲を移動することがわかります。

理想的には三角波ですが、

アウトプットスイングが壁になる形で、

波形が歪むことがわかります。

 

シミュレーションでのアイドル時の自励発振周波数は895kHzで、

左右のチャネルでビートを回避するために、

もう一方は積分抵抗を1.2kΩ(933kHz)としています。

 

試作機のアイドル時の自励発振周波数の実測値は

710kHz(1kΩ), 718kHz(1.2kΩ)となっていますが、

電源の干渉によるビートは発生しないようです。

 

D級GaN MOSFETアンプの試作

D級GaN MOSFETアンプの試作を行いました。

ヒートシンクにマウントしたPCBがこちらです。

アルミケースに入れて、

理想ダイオード電源でテストしています。

左側はSiC MOSFETアンプ、

右側がGaN MOSFETアンプです。

気になる音の方は、これがGaNの音かといった感じで、

低音から高音まで音源がそのまま音になる感じです。

 

IR2110と出力段の電解コンデンサがやや熱を持ちますが、

スイッチング周波数と電力を考えれば、

問題ない程度です。

 

電源オフ時に軽いポップノイズがでますが、

対策が必要な程ではありません。

 

残りの課題は、

自励発振が音量を上げないと始まらない点だけです。

 

IR2110によるD級GaN MOSFETアンプの設計

IR(Infenion)のハイ・アンド・ローサイド・ドライバIR2110

D級GaN MOSFETアンプの設計をしてみました。

 

LT Spiceでの回路図はこちらです。

1V, 20KHz正弦波の入力に対する過渡応答はこちらです。

 

設計のポイントとしては、

レベルシフト回路、

デッドタイム回路、

ブートストラップ回路、

積分器の定数、

を上げておきます。

 

レベルシフト回路は、LT1016のデータシートを参照して下さい。

-24Vのグランド変換と5Vから12Vのレベルシフトを行っています。

 

デッドタイム回路はCRD回路で85nsのデットタイムを生成しています。

 

ブートストラップ回路は、Fairchild(ON Semi)のアプリケーションノートを参照して下さい。

ローサイドのバイパスコンデンサにも抵抗を入れているのは、
ハイサイドとローサイドのゲート駆動電圧をできるだけ揃えるためです。
積分器の定数は、LT1363の出力範囲の中で三角波(鋸波)が移動するように、
決めます。
ブレッドボードで動作を確認したところ、
自励発振周波数(搬送波周波数)が1.2-0.95MHz程度(温度によって変動する)となりました。
SPICEシミュレーションの結果とよく一致しています。
 
ソースタブから出力をとり、
ソースピンはゲートドライバ(IR2110)のVsとCOMにつなぐケルビン接続としています。