功放IC的inp 这项之前只在军用领域应用的技术即将全面普及|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

这项之前只在军用领域应用的技术即将全面普及

氮化镓，分子式GaN，英文名称Gallium nitride，是一种氮（V）和镓（III）的III-V族化合物，直接带隙（Direct Bandgap）（直接跃迁型）的半导体材料，具有带隙宽（室温下，Eg=3.39eV）、原子键强、导热率高、化学性能稳定（几乎不被任何酸腐蚀）、抗辐照能力强、结构类似纤锌矿、硬度很高等特点。

GaN被誉为继第一代Ge、Si半导体材料，第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

氮化镓相比传统硅基半导体，有着比硅基半导体出色的击穿能力，更高的电子密度和电子迁移率，还有更高的工作温度。这首先体现了低损耗和高开关频率，低损耗可降低导阻带来的发热，高开关频率可减小变压器和电容的体积，有助于减小充电器的体积和重量。同时GaN具有更小的Qg，可以很容易的提升频率，降低驱动损耗。

不过制造工艺上氮化镓和传统硅基半导体不同。氮化镓的衬底是在高温下利用金属有机气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE）技术生长的。氮化镓与一般半导体材料的最大区别是禁带更宽。禁带宽度是表征价电子被束缚强弱程度的一个物理量，禁带越宽，对价电子的束缚越紧，使价电子摆脱束缚成为自由电子的能量越大。禁带宽度也决定了自由移动电子的质量。

氮化镓应用风口

氮化镓的诞生，伴随着科技发展服务人类美好生活的使命而来。众多新技术、新应用、新市场，在氮化镓从实验室走向市场那一刻，注定吸引了全球眼球。这些新兴的市场就包括了5G、射频、快充等等，我们列举几个氮化镓目前即将大规模商用的领域与大家分享。

1、5G商用临近

射频氮化镓技术是5G的绝配，基站功放使用氮化镓。氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是射频应用中常用的三五价半导体材料。与砷化镓和磷化铟等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和碳化硅（SiC）等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。氮化镓器件的瞬时带宽更高，这一点很重要，载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。

与硅或者其他三五价器件相比，氮化镓速度更快。GaN可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平，GaN具有体积小的优势。有了更小的器件，就可以减小器件电容，从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。射频电路中的一个关键组成是PA（Power Amplifier，功率放大器）。

从目前的应用上看，功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器（CMOS PA）组成，其中又以GaAs PA为主流。但随着5G的到来，砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度，于是GaN成为下一个热点。氮化镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高的工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点。

高通公司总裁 Cristiano Amon 在2018 高通 4G / 5G 峰会上表示：预计明年上半年和年底圣诞新年档期将会是两波 5G 手机上市潮，首批商用 5G 手机即将登场。据介绍，5G 技术预计将提供比目前的 4G 网络快 10 至 100 倍的速度，达到每秒千兆的级别，同时能够更为有效地降低延迟。

在5G的关键技术Massive MIMO应用中，基站收发信机上使用大数量（如32/64等）的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数量将大为增加，器件的尺寸大小很关键，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。同时在5G毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。

除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比3G、4G时代，5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加，因此成本的控制非常关键，而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势，随着硅基氮化镓技术的成熟，它能以最大的性价比优势取得市场的突破。

2、消费类产品快充需求旺盛

随着电子产品的屏幕越来越大，充电器的功率也随之增大，尤其是对于大功率的快充充电器，使用传统的功率开关无法改变充电器的现状。而GaN技术可以做到，因为它是目前全球最快的功率开关器件，并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平，能够应用于更小的元件，应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸，比如使目前的典型45W适配器设计可以采用25W或更小的外形设计。

氮化镓充电器可谓吸引了全球眼球，高速高频高效让大功率USB PD充电器不再是魁梧砖块，小巧的体积一样可以实现大功率输出，比APPLE原厂30W充电器更小更轻便。

将内置氮化镓充电器与传统充电器并排放在一起看看，内置氮化镓充电器输出功率达到27W，APPLE USB-C充电器输出功率30W，两者功率相差不大，但体积上却是完全不同的级别，内置氮化镓充电器比苹果充电器体积小40%。

据充电头网不完全统计，截止2018年10月23日，市面上支持USB PD快充的手机达到52款，另有20款手机支持USB PD3.0（PPS）快充。

可以看到，几乎所有主流的手机厂商都已将USB PD快充协议纳入到了手机的充电配置。USB PD快充的手机已经多达52款型号和覆盖15个品牌，其中不乏苹果、华为、小米、三星等一线大厂品牌。

从各大手机厂商和芯片原厂的布局来看，USB PD快充将成为目前手机、游戏机、笔记本电脑等电子设备的首选充电方案，而USB Type-C也将成为下一个十年电子设备之间电力与数据传输的唯一接口，USB PD快充协议大一统的局面即将到来。

3、激光雷达让无人驾驶更安全

激光雷达（LiDAR）使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图。氮化镓场效应晶体管相较MOSFET器件而言，开关速度快十倍，使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势，由于可实现优越的开关转换，因此可推动更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。

在大力研发和推进自动化汽车普及过程中，汽车厂商和科技企业都在寻觅传感器和摄像头之间的最佳搭配组合，有效控制成本且可以大批量生产的前提下，最大限度的提升对周围环境的感知和视觉能力。

氮化镓的传输速度明显更快，是目前激光雷达应用中硅元素的 100 甚至 1000 倍。这样的速度意味着拍摄照片的速度，照片的锐度以及精准度。

让我们描述道路前方的事物和变道的颜色预警。激光雷达能检测前方路段是否有障碍物存在。通过激光雷达你能够更全面地了解地形变化，一些你无法看到的地形。而单纯的使用摄像头或者雷达都无法胜任这项工作，因为两者各自身上都有短板和不足。

全球氮化镓知名企业

在5G商用、消费类电源快充普及、无人驾驶等领域，氮化镓已经拥有的广阔的应用空间。作为第三代半导体新技术，也是全球各国争相角逐的市场，目前市面上已经形成了多股氮化镓代表势力，其中第一梯队有英诺赛科、纳微、EPC等代表企业。其中英诺赛科是目前全球首家采用8英寸增强型硅氮化镓外延与芯片大规模量产的企业，也是跻身氮化镓产业第一梯队的国产半导体企业代表。

1、Innoscience英诺赛科

Innoscience 英诺赛科创办于2015年12月，是一家专注于第三代半导体硅基氮化镓研发与产业化的高新技术企业，目前在中国珠海和苏州拥有两个研发和产业化基地。英诺赛科团队人才汇聚，集合了国内外众多氮化镓领域的精英，并通过不断创新，在全世界范围内率先实现了8英寸硅基氮化镓量产工艺，并先后推出系列产品，产品各项性能均达到国际领先水平。

英诺赛科采用IDM全产业链模式，成功在中国建立了一条涵盖研发、设计、生产、测试、销售、市场、技术支持等在内的完整的GaN产业链，有效提高了GaN晶圆工厂的制造能力，加速高性能氮化镓产品进入市场，为当前中国第三代半导体制造的领军企业。

2、Navitas纳微半导体公司

Navitas Semiconductor（纳微半导体公司）是世界上第一批GaN功率IC公司，于2013年在美国加利福尼亚州El Segundo成立。纳微拥有强大的功率半导体行业专家团队，此前在电力电子领域就取得了非常傲人的成绩。该公司累计获得200多项已发布的专利，专有的 AllGaN工艺设计套件将最高性能的GaN FET与逻辑和模拟电路单片集成，可为移动、消费、企业和新能源市场提供更小、更高能效和更低成本的电源。

3、EPC宜普电源

宜普电源转换公司（EPC）于2007年11月由三位资深工程师共同创建，他们合共拥有六十年与先进功率管理技术相关的经验。宜普电源转换公司的首席执行官Alex Lidow是1970年代硅功率MOSFET的共同发明者。在国际整流器公司曾担任管理研发及制造职位外，期间更有长达十二年担任该公司的首席执行官。其后半导体技术的发展进程让宜普公司的所有创办人清楚知道硅技术已经达到它的性能极限及其发展步伐已经不可以像从前那样为业界推动创新、再创高峰。

创建宜普电源转换公司是基于对氮化镓技术可以在电源转换领域替代硅技术的信念，这是由于氮化镓技术具备无敌的速度、效率及低成本的优势。其实氮化镓技术是一种具备优越的晶体特性的使能技术，它可以实现的性能与硅技术相比较是1000 ：1 的比值。

氮化镓市场前瞻

氮化镓器件有什么缺点呢？缺点就是太贵了！回顾前两代半导体的演进发展过程，任何一代半导体技术从实验室走向市场，都面临商用化的挑战。目前氮化镓也处于这一阶段，成本将会随着市场需求量加速、大规模生产、工艺制程革新等，而走向平民化，而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。而8英寸硅基氮化镓的商用化量产，可以大幅降低成本。第三代半导体的普及临近，也让我们有幸见证这一刻的到来。

普及音响知识-功放的阻抗匹配和各种pop音原因分析

做音响的朋友肯定遇到过pop音的问题，本头条也推送过几篇关于开机pop音，关机pop音的文章，这里Delete_stealth对各种情况系统做了分析也提供了测试图形，干货满满，希望对工程师有帮助。非技术人员也可以转发，一次转发可能就帮助了一个工程师。

启动和关闭时序

为了优化开关机的POP 声和避免DC Detect 功能的误触发，在系统设计时需要注意主芯片和功放器件的启动时序。启动时序分为电源时序和使能时序两种，电源时序是指系统中各种芯片电源供电或断电的时序。而使能时序可理解为系统供电稳定后由系统主控决定的器件功能使能的先后次序。

对于电源时序来说，由于多数主芯片的音频输出在上电和断电过程中不太稳定，理想的上电次序是系统主芯片先于功放上电。然后功放的PVCC 再供电。断电的理想时序正好相反，为功放的电源先切断，然后再切断主控芯片的供电。

但是通常功放的PVCC 取自于系统的主电源，该电源一般在开机后最先输出。随后再通过DC/DC 或LDO 降压给主芯片供电。所以功放一般在主芯片稳定前已经供电并启动。这种设计中，上电时必须保证TPA311x 的/SD 脚处于拉低状态，避免主芯片上电过程中的POP 声输出。掉电时，也需要将功放置于standby 状态，避免主芯片掉电时的POP 声输出。通常上电过程的POP 声较容易解决，但系统掉电时需要使用掉电检测电路来强制将功放的/SD 快速拉低来解决掉电POP 声的问题。

使能时序：由于主芯片音频模拟输出的偏置电压一般在输出使能后建立，此时需要保持功放的/SD 拉低，等待主芯片模拟输出的偏置电压稳定后才可以将/SD 置高开启功放。相反，需要关闭主芯片音频模拟输出功能时，需要先拉低/SD 将功放关闭后，再关闭主芯片的模拟输出信号。这样的时序是为了保证主芯片模拟输出的偏置电压掉电时不会引起POP 声。

输入级模型

功放是单电源供电的模拟输入Class D 功放，这类功放的模拟输入必须工作在直流偏置（DC BIAS）点上才可以正常传输交流音频信号，简化的输入级模型如图1 所示。功放的直流偏置电压设定在3V。

图 1

图 1. 模拟输入级等效模型

功放在启动时，偏置电压会从0V 上升到额定的偏置电压，该过程的时间长短取决于内部偏置电压源对外部阻抗网络的充电速度。

图 2

图 2. 差分输入偏置电压建立过程

功放差分输入INN 和INP 的输入偏置电压建立的过程如图2所示，若差分输入N 和P 端的输入偏置电压建立速度不一样则两者之差会形成差分信号输入功放并被放大输出，形成启动时的POP 声。差分输入端偏置电压建立过程的不平衡通常是因为输入级INN 和INP外部的阻抗不匹配所致。这种情况最容易出现在差分输入用作单端输入状态。

功放的单端输入方式

功放器件的模拟输入是标准的差分输入接口。在系统设计中，推荐使用差分输入方式来接驳主芯片的音频输出。使用差分输入方式可以不仅POP 声的控制相对简单、信号抗干扰能力强，而且不会引起DC Detection 功能的误动作。差分输入方式和单端输入方式的对比如下表所示：

表 1. 差分、单端输入方式对比表

不过在实际应用中，由于多数主芯片的音频模拟输出是单端模式，功放的差分输入必须配置为单端接法才能使用。如图3 所示，单端输入时，主芯片输出通过耦合电容连接功放INP（INN）脚。INN (INP)输入通过电容耦合到地即可。

图 3

图 3. 功放单端输入接法

使用单端输入模式时需注意以下几点：

1. 单端输入模式应用时需要更加注意音频信号的走线和地平面的分布，因为单端输入模式没有能力抑制系统中的公模干扰信号。

2. 相比差分信号输入模式下，单端输入，需要输入两倍的输入信号电平来达到相同的输出功率。

3. 单端输入模式必须注意P/N 脚电路网络的阻抗匹配，尽量不要在输入级使用复杂的滤波网络。不合适的阻抗网络不仅会引起开关机的POP 声，也有可能引起DC Detection 功能的误触发，导致功放锁死。若必须在输入级进行滤波或增益设置，请参考使用运放来进行滤波及增益的调节。

输入阻抗网络的匹配

若使用单端输入的方式连接功放，则必须注意输入阻抗网络的匹配问题。如图5 所示，功放的INN 输入端外部阻抗为Zn，通常Zn 为耦合电容。主芯片输出阻抗一般很小，可认为输出阻抗为零，则INP 输入端外部阻抗约为Zp。功放启动时内部的偏置电压会逐步建立，其过程即为向Zn 和Zp 阻抗网络充电的过程。若Zn 和Zp 阻抗相差太大，INN 和INP 之间就会形成较大的差分信号，该差分信号被功放放大之后则形成POP 声。

功放设计的启动时间举例30ms，该时间是从/SD 被拉高到功放输出声音的时间。若上述启动时对输入阻抗网络的充电稳定时间少于30mS，则因阻抗不匹配引起的差分输入也不会被放大而带来POP 声的问题。减小Zn 和Zp 中的电容参数可以缩短输入级稳定时间，但减小电容会使得低频增益降低，用户需酌情考虑。

图 4

图 4. 匹配输入阻抗

使用运放建立隔离系统

在某些系统中，主芯片的音频信号输出不仅需要连接到功放输入，还要输出到Line Out（线路输出），或者其他的芯片进行处理。该种情况下输入级的网络比较复杂，单端输入模式的阻抗匹配不容易实现。为了解决这个问题，可以使用运放接成一个简单的跟随器来建立一个隔离的阻抗输入系统。跟随器的输入阻抗很高，对源信号没有影响。其输出阻抗非常低，可良好匹配功放的输入阻抗网络。图 5 给出了使用跟随器来建立一个隔离的输入阻抗网络的电路。需要时，还可将运放用来调节信号增益及滤波。

图 5

图 5. 使用运放建立隔离的阻抗网络

功放 Pop 声分析及解决方案

1 POP 的原因及调试方法

功放的Pop 声有两种可能的原因：输入阻抗不匹配及不合理的系统时序

输入阻抗不匹配：

输入阻抗不匹配会引起器件启动和关闭时差分输入端产生电压差，这种POP 声是在/SD 电压变化时产生的，发生在功放输入端的Bias（偏置电压）的建立过程中。遵从匹配输入级阻抗网络的方法即可解决该种POP 声。

不合理的系统时序

如 1 节所述，主芯片启动或关闭时，模拟输出的偏置电压也需要一个建立的过程，而且主芯片上电过程中也有可能输出不可控的POP 声。所以在上电过程中，必须保证功放处于Standby 状态下。避免将前级芯片产生的POP 声放大输出到喇叭。

POP 声的最终表现一样，但根本原因可能有不同，以下是推荐的查找POP 声原因的调试方法：

1. 隔离功放输入和主芯片输出；出现POP 声后，首先要将主芯片的输出断开，并将功放输入电路部分通过电容交流短路到地。此时可以控制/SD 脚电平模拟开关机过程。若POP 声仍然存在，则说明功放启动时P/N 脚对外部网络的充电速度不一致，导致差分输入存在压差所致。若POP 消失，则可进行下一步验证。

2. 确认功放无输入情况下开关无POP 声之后，可使用外部电源给主芯片供电。保持主芯片电源不切断是为了排除主芯片输出在掉电时产生POP 声的影响。此时进行整个系统正常的开关机验证POP 声。若POP 声消除，则可判断主芯片掉电时序和功放的掉电时序不匹配，导致主芯片掉电时产生的POP 声被功放放大输出。部分系统中电源并未完全关闭，系统有待机模式时可用待机芯片的I/O 口进行时序的控制，若系统的开关机是电源硬关断模式则需要进行系统电源时序的优化。部分情况下，需要添加上电/掉电检测电路来控制POP声。

2 掉电检测电路

在使用硬件开关直接关闭主电源的系统中，掉电时的POP 声控制较为困难。因为该类系统无法提前预知系统掉电，无法在掉电之前使用控制器I/O 口静音或关闭功放。这时就必须使用如图76所示的掉电检测电路来解决该问题。该电路可在系统电压跌落初期提供控制信号，使用该控制信号拉低/SD 脚即可在掉电初期快速关闭功放。

掉电检测电路在正常供电时PVCC 会通过二极管D1 和电阻R1 向C1 大电容充电。掉电初期，Q1 的基极电压将随着PVCC 的跌落降低，直到跌落到Q1 三极管打开后，C1 的电压将通过Q1送给Q2 的基极，Q2 导通，/SD 被拉低。根据上述原理，可由以下计算出电压跌落的位置Vdrop：