窒化ガリウム、D級オーディオの音質と効率を向上：採用事例も紹介（2/2 ページ）

窒化ガリウム（GaN）ベースのスイッチング・トランジスタを用いたD級オーディオ・アンプの実用化が始まっている。これまでD級オーディオシステムで用いられてきたシリコン（Si)ベースのトランジスタはどういった課題を抱えてきたのかを振り返りつつ、GaNベースのトランジスタを紹介する。

[Steve Colino（Efficient Power Conversion）, Skip Taylor（Elegant Audio Solutions），EDN]

GaNトランジスタの例

　米国テキサス州オースティンにあるElegant Audio Solutionsは、このeGaNトランジスタを用いたD級アンプ（型番：eGaNAMP2016）を生産しています。このアンプは、連続出力で8Ωのスピーカ負荷に200W、4Ω負荷に400Wの電力を供給でき、THD＋Nは0.005％と低く、非常に小さなフィードバック量で済んでいます。しかも、この特性は、ヒートシンク（冷却器）なしで得られ、eGaNベースのアンプは、多くの既存システムの標準的なアンプの実装に直接接続することができます。

図3：GaNトランジスタを用いたD級アンプの例（写真は「eGaNAMP2016」）

　他にもパナソニックが、2015年に、ハイエンドのオーディオマニア向けブランドのテクニクスで、eGaN技術を用いたアンプを製品化しました。このようにオーディオ機器メーカーは、帯域幅を96kHzに広げるというHD Audioの要件に、古典的なD級アンプの障壁を恐れることなく、eGaN FET技術によって簡単に対応しています。帯域幅の拡大によって、音の微妙で複雑な細部をはっきりと伝えることができます。

広いオーディオ帯域幅への対応は？

　拡大したオーディオ帯域幅は、伝統的に、意図しない歪みをリスナーに伝えることになるので、新しいD級システムでもクリーンなオーディオ信号を生成するという課題は常に存在します。PWMスイッチング周波数の高速化によるオーディオ帯域幅の拡大は、歴史的に2つの余計な要素を引き出します。すなわち、MOSFETスイッチ固有の非効率性による熱の増加、そして（不感帯からの大きな寄与を含む）スイッチング波形の歪みの増加です。したがって、ここでの課題は、出力フィルターに高品質のPWMスイッチング波形を送信すること、になります。

　この課題を達成するために、より完全なスイッチング波形が必要になります。

　しかし、各サイクルの歪みや雑音がもたらすものは何でしょうか、追加の熱が発生するのでしょうか？　正味の効果は大きくなりますが、妥協のない音質を確保するためには、より複雑なシステムになるのでしょうか？

　Si-MOSFET技術では、答えは、悲劇的なほどに「はい」です。

　一方でeGaN技術では、音質の向上が複雑さを増すことなく、消費電力を増やすことなく実現できます。96kHzに制限された出力フィルターを備えた50WのHD Audioアンプにおけるサウンドバー、または、類似の応用例でみると、＋32V電源から2MHzで動作しているeGaN FETは、フルブリッジ出力段にわたって消費電力は2W未満となるでしょう。FETスイッチ当たりでは2分の1 W未満となり、十分に熱容量の範囲内になります。加えて、出力フィルターを広帯域化すると、出力フィルターが安価になり、より高いスイッチング周波数は、EMI／EMCへの対応が非常に楽になります。

　指摘したように、eGaN FETのスイッチングのエッジがよりきれいなので、リンギングが低減し、EMI雑音を管理しやすくなります。eGaN技術のウエハー・レベルのパッケージによって、インダクタンスが非常に小さくなります。うまくレイアウトすると、オーバーシュートやリンギングを実質的に除去することができます。出力フィルター・コストの削減とヒートシンク・コストの実質的な除去によって、eGaN FETベースのHD Audioシステムは、はるかに音が良くなるだけでなく、はるかに小型になり、古典的なMOSFETベースのシステムに比べてシステム・レベルのコストを低減できます。

まとめ

　高いPWMスイッチング周波数、低減したフィードバック量、より広帯域化が可能なeGaN FETベースのHD Audioシステムは、オーディオマニアが要求する暖かさや音質を満足するサウンド――、つまり、最高のリニアAB級システムでさえ達成したことのない地点に到達することができる素晴らしいオーディオ体験を生み出すことができます。あなたのハイファイ・ホーム・システムとともに、あなたのホームシアター、あなたのクルマ、あなたのボート、あなたの携帯型無線スピーカ向けのeGaNベースのHD Audioシステムに目を向けましょう。

　高速スイッチングのeGaN技術は、通信、テレビ、自動車等々を含む星の数ほどの他の産業でこれまでの常識を覆しているだけでなく、eGaN技術は、ハイエンド・オーディオの世界にも進撃する態勢を整えています。AB級オーディオの歴史の浅い子供であるD級は、eGaN技術とともに、今、その時代が来ています。

【著者紹介】
・Steve Colino（Efficient Power Conversion、ストラテジック・テクニカル・セールス部門バイス・プレジデント）
・Skip Taylor（Elegant Audio Solutions、最高経営責任者兼共同創立者）