传统的音频放大技术是一个充满挑战的领域，发烧友们对于构成家庭音频最佳设置的要素有明显不同意见。 对于那些坚持使用经典放大器拓扑架构的用户，他们的要求主要集中体现在准确的音频再现方面，而几乎不考虑解决方案的整体用电效率。 虽然这在家庭音频环境中完全合理，但在许多其它应用中都要求较高的放大器效率。 这或许是为了节省能源，并延长电池寿命，或是为了减少散热，从而使产品更致密、更紧凑。 音频放大器有几种基本类型，包括 A 类、AB 类和 B 类，它们都利用其晶体管的线性区域，并以最小失真完美地再现输入音频信号。 研究表明，这种设计理论上可以实现高达 80％的效率，但实际上，它们的效率约为 65％或更低。 在当今由电池供电的智能手机、数字增强型无绳电信（DECT）手机和蓝牙扬声器等电子产品中，效率低下会对电池寿命产生巨大影响。 像在电子行业的大多数其他领域（如电源转换器）一样，使用开关技术，而非线性技术的设计方法似乎能够有望实现突破。 D 类放大器首先是在上世纪 50 年代出现，它使用一对开关器件进行推 / 挽配置（图 1）。 脉冲宽度调制（PWM）信号占空比由输入音频信号控制，可确保开关器件处于打开或关断状态，从而将其线性区域的操作保持在最低水平。 这不仅能够实现 100％的理论效率，而且还具有零失真的潜力。  当时，市场上只有锗晶体管，但是它经过证明不适合这种开关拓扑架构的需求，因此早期的放大器设计并不成功。
直到后来，随着 MOSFET 技术的出现，D 类设计才得起死回生。 如今，此类放大器因其高能效而在各个领域得到广泛应用。 在当今的平板电视和汽车音响控制单元等设计中，紧凑性是一项非常迫切的要求，D 类放大器在其中也很受欢迎，因为它通常不需要笨重的散热器。 基于 GaN 的高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种新技术，可用作 D 类设计中的开关器件，并可提供更高的效率和音频质量。 满足 D 类放大器的需求为了能够接近 D 类放大器理论上的高性能，开关器件需要具备低导通电阻，以最大程度地降低 I2R 损耗。 GaN 器件具有比 Si MOSFET 低得多的导通电阻，并且可以通过较小的芯片面积实现。 反过来，这种小芯片封装也可以帮助设计师将更多紧凑型放大器推向市场。 开关损耗是另一个需要充分考虑的因素。 在中、高功率输出时，D 类放大器的性能非常出众。 但是，由于功率器件中的损耗，功率输出最低时的效率也最低。 为了克服这一挑战，一些 D 类放大器采用两种工作模式。 在播放低音量音频时，这种多级技术限制了功率器件可以切换到的输出电压。 一旦输出音量达到设定的阈值，开关的输出电压轨就会增大，从而可提供完整的电压摆幅。 为了进一步降低开关损耗的影响，在低输出量时可以使用零电压开关（ZVS）技术，而在高功率水平时改为硬开关。 当使用 Si MOSFET 实施时，由于功率器件关断和导通时输出的非零电压，硬开关模式会导致体二极管中产生电荷累积。 之后，积累的反向恢复电荷（Qrr）需要放电，这其中需要的时间在 PWM 控制实施过程中应该考虑。 而如果采用 GaN 进行设计，则没有这个问题，因为这些晶体管没有固有的体二极管，因此也就没有 Qrr，这样可以实现更高的总体效率、改进的失真系数以及更清晰的开关波形。 放大器在零电压开关模式下工作时，由于输出的转变是通过电感电流换向来实现，可有效消除开关中的开关损耗和由此产生的功率损失。 然而，与所有半桥设计一样，需要考虑直通（shoot-through）问题，即高侧和低侧开关同时导通的现象。 通常可以插入一个称为消隐时间（blanking time）的短延迟，以确保其中一个开关在导通之前另一个开关完全关断。 需要注意的是，该延迟会影响 PWM 信号，导致音频输出失真，因此设计中的一个目标是尽可能缩短延迟，以维持音频保真度。 该延迟的长度取决于功率器件的输出电容 Coss。 虽然 GaN 晶体管尚未完全消除 Coss，但明显低于 Si MOSFET 器件。 因此，使用 GaN 时，其较短的消隐时间会导致更小的放大器失真。 尽管上面提到的改进，这种电容中储存的能量仍有待处理，在下一个导通周期中被消耗掉。 但是这些损耗的影响在较高开关频率下尤其明显，因此基于 GaN 的设计比 Si 放大器具有更高的效率。 如何实现 GaN 的优势GaN HEMT 晶体管与 Si MOSFET 命名其各个端子的方式完全相同，具有栅极、漏极和源极。 借助于栅极和源极之间的二维电子气体（2DEG），它们实现了极低电阻，由于提供有电子池，因此可有效地实现短路。 当不加栅极偏压（VGS = 0V）时，p-GaN 栅极将停止导通。 GaN HEMT 是双向器件，这一点与硅器件不同。 因此，如果允许漏极电压降至源极电压以下，则可能会产生反向电流。 GaN HEMT 晶体管具有洁净的开关波形，这也是其优势所在，主要是没有 Si MOSFET 中常见的体二极管（图 2）。 这是与 PN 结相关的大量开关噪声的原因。  业界已经证实，在无散热片情况下，D 类放大器设计可向 8Ω负载提供 160W 功率。
一种此类原型采用了 IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT 与 200V D 类驱动器 IRS20957S（图 3），这种特殊的开关其 RDS（on）（max）仅为 70mΩ。 如果使用散热器，则放大器可以输出高达 250W 的功率，并且在 100W 时达到非常卓越的 0.008％THD+N。 从零电压开关到硬开关可能会导致 THD+N 测量值出现驼峰。 工作在 500 kHz 频率时，该设计没有表现出明显的失真变化（发生在几瓦情况下），并且硬开关区域保持非常安静和清洁。  总结多年来，设计人员一直在使用 Si MOSFET 进行 D 类放大器设计，这要归功于其在性能优化方面不断取得的进步。
然而，要进一步改进 Si MOSFET 功能和特性已经非常困难。 此外，降低 RDS（on）将需要更大的晶片尺寸，导致更难以构建紧凑的音频放大器设计。 然而，GaN HEMT 突破了这一限制，同时也消除了 Qrr，再加上较低的 Coss 以及在较高开关频率下运行的能力，可以创建体积更小、更加紧凑的设计，通常情况下无需使用散热器。 所进行的 THD+N 测量还表明，这项新技术可以实现出色的音频性能。
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