I transistor GaN commutano molto più velocemente dei MOSFET al silicio e al SiC, garantendo minori perdite di commutazione. I MOSFET di potenza GaN possono essere utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni, dalle telecomunicazioni, ai server, ai motori e agli alimentatori per computer, fino ai caricabatterie di bordo per veicoli elettrici. In questo articolo esaminiamo le loro applicazioni nel campo audio di potenza.

Introduzione
L’audio ad alta fedeltà è sempre più popolare e l’elettronica nel settore audio sta attraversando un’evoluzione senza precedenti, grazie all’introduzione di nuove tecnologie come i FET GaN (Gallium Nitride). Questi dispositivi semiconduttori rappresentano una svolta nel campo dell’elettronica di potenza, offrendo prestazioni superiori rispetto ai tradizionali componenti in silicio. Con la loro capacità di operare a frequenze molto più elevate, di ridurre le perdite energetiche e di consentire un design compatto, i MOSFET GaN stanno anche ridefinendo gli standard degli amplificatori audio moderni. In questo articolo, vedremo come gli amplificatori basati su FET GaN stiano rivoluzionando l’industria dell’audio, combinando l’efficienza e la qualità del suono. Analizzeremo i vantaggi di questa nuova tecnologia e le sue applicazioni pratiche. Gli amplificatori GaN si presentano come il futuro dell’audio di alta qualità, aprendo nuove frontiere per appassionati e professionisti del settore.

GaN FETs
I FET e gli IC GaN stanno guadagnando popolarità nelle applicazioni audio di Classe D (vedi schema di principio in figura 1) grazie alla loro capacità di fornire un suono di alta qualità con una efficienza molto elevata. La loro grande velocità di commutazione consente una ottima modulazione della larghezza dell’impulso, riproducendo accuratamente i segnali audio praticamente in tutta la banda udibile e oltre. Le ridotte perdite di potenza del GaN consentono la produzione di amplificatori a risparmio energetico, riducendo al minimo la necessità di grandi dissipatori di calore per sistemi audio più piccoli e compatti. Pertanto i GaN sono ideali per dispositivi portatili, sistemi audio domestici e per autoveicoli, in cui lo spazio e l’efficienza energetica sono fondamentali, senza compromettere la fedeltà audio.

Figura 1 – Lo schema elettrico generico di un amplificatore in Classe D.

Il mercato mette già a disposizione degli utenti finali tanti modelli di soluzioni complete o di schede di valutazione per testare le prestazioni dei sistemi audio. Anche se il concepimento degli amplificatori audio in Classe D è un po’ datato, solo di recente la loro implementazione è diventata sempre più comune. Oggi la tecnologia dei semiconduttori ha finalmente raggiunto la giusta maturità per soddisfare i livelli di prestazioni di cui è capace tale classe, infatti la velocità dei nuovi dispositivi consente l’attuazione di tali finalità. Nella modalità di funzionamento in Classe D, i transistor non sono utilizzati nella loro modalità lineare ma come interruttori, ON e OFF. In questo modo dissipano poca potenza e l’efficienza è molto alta.

Il funzionamento prevede che il segnale audio venga immesso in un comparatore veloce. L’altro ingresso del comparatore ha una forma triangolare estremamente lineare. Il comparatore campiona l’audio rispetto all’onda triangolare, producendo un’onda quadra in uscita la cui frequenza è la stessa della portante ma la cui larghezza di impulso (ciclo di lavoro) è modulata dall’ampiezza del segnale audio stesso (PWM). In pratica la larghezza degli impulsi è proporzionale al livello istantaneo del segnale di ingresso. L’uscita viene poi filtrata per rimuovere le alte frequenze e il segnale di ingresso originale è ricostruito esattamente con la stessa forma ma amplificato. Il segnale amplificato è molto fedele e non si riesce a riconoscere e distinguere da quello prodotto da un amplificatore di potenza di Classe AB convenzionale.

Un vantaggio dei circuiti di Classe D è che essi sono semplici da implementare con componenti moderni, richiedono alimentatori più semplici e hanno un’alta efficienza. I FET GaN sono i dispositivi di commutazione preferiti perché offrono vantaggi significativi rispetto agli altri componenti. Essendo più veloci e più piccoli, essi hanno meno perdite di commutazione rispetto alle perdite di conduzione, con conseguente alta linearità. Ricordiamo che un amplificatore in Classe D non è digitale, anche se vi è la produzione di un segnale PWM in uscita.

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