驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器設(shè)計(jì)考量

今天的便攜式設(shè)備推動(dòng)了對(duì)更小、更薄以及更高功效電子器件的需求?，F(xiàn)在蜂窩電話的外形已經(jīng)變得相當(dāng)纖薄，以至于傳統(tǒng)的電動(dòng)式揚(yáng)聲器已經(jīng)成為制造商將手機(jī)能制造成多薄的限制因素。陶瓷或壓電揚(yáng)聲器正在迅速成為電動(dòng)式揚(yáng)聲器的可行替代器件。這些陶瓷揚(yáng)聲器(驅(qū)動(dòng)器)可以以纖薄而小巧的封裝提供極具競(jìng)爭(zhēng)力的聲壓水平(SPL)，它們極有可能替代傳統(tǒng)的音圈電動(dòng)式揚(yáng)聲器。

驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器電路與驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)電動(dòng)式揚(yáng)聲器的放大器電路相比有不同的輸出驅(qū)動(dòng)要求。陶瓷揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)要求放大器能夠驅(qū)動(dòng)較大的容性負(fù)載，能在高頻時(shí)提供更大電流，同時(shí)還要能保持較高的輸出電壓。

陶瓷揚(yáng)聲器的特性

陶瓷揚(yáng)聲器制造商使用的技術(shù)非常類似于制造多層陶瓷電容所用的技術(shù)。與電動(dòng)式揚(yáng)聲器相比，這種制造技術(shù)能使揚(yáng)聲器制造商更嚴(yán)格地控制揚(yáng)聲器的容差。在要統(tǒng)一揚(yáng)聲器并取得一致的聲學(xué)特性時(shí)，嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)容差非常重要。
從驅(qū)動(dòng)放大器可以看出，陶瓷揚(yáng)聲器的阻抗可以建模為一個(gè)RLC電路，它帶有一個(gè)大電容，這個(gè)大電容是該模型中的主要部件，如圖1所示。對(duì)大部分音頻頻率來(lái)說(shuō)，陶瓷揚(yáng)聲器主要表現(xiàn)為容性。揚(yáng)聲器的這種容性特征表示其阻抗將隨頻率的增加而降低。圖2給出了與1uF電容相似的陶瓷揚(yáng)聲器阻抗與頻率特性。

圖1：陶瓷揚(yáng)聲器的模型。

圖2：陶瓷揚(yáng)聲器和1uF電容的阻抗與頻率特性。

上述阻抗同樣有個(gè)諧振點(diǎn)。揚(yáng)聲器在諧振點(diǎn)頻率之上發(fā)聲效率最高。在1kHz處的阻抗下降表示了揚(yáng)聲器的諧振頻率。

聲壓與頻率和幅度的關(guān)系

在陶瓷揚(yáng)聲器的兩端施加一個(gè)交替變化的電壓可以使揚(yáng)聲器內(nèi)部的壓電薄膜變形和振動(dòng)，其位移距離與輸入信號(hào)成正比。振動(dòng)著的壓電薄膜推動(dòng)周?chē)目諝猓瑥亩a(chǎn)生聲音。提高揚(yáng)聲器上的電壓可以增加壓電元件偏轉(zhuǎn)幅度，從而產(chǎn)生更大的聲壓，由此可以提高音量。

陶瓷揚(yáng)聲器制造商一般用最大端電壓來(lái)標(biāo)示他們的揚(yáng)聲器，一般為15Vp-p左右。表示陶瓷器件在這個(gè)最大電壓下達(dá)到最大伸展。如果施加比額定電壓更高的電壓不會(huì)產(chǎn)生更高的聲壓，卻會(huì)增加輸出信號(hào)的失真度，見(jiàn)圖3。

圖3：陶瓷揚(yáng)聲器的SPL與頻率的關(guān)系。

通過(guò)比較SPL與頻率以及阻抗與頻率的曲線圖可以看出，壓電揚(yáng)聲器在自諧振頻率以上產(chǎn)生大SPL的效率最高。

放大器要求

陶瓷揚(yáng)聲器制造商通常規(guī)定在14到15Vp-p的最大電壓點(diǎn)產(chǎn)生最大的聲壓值?，F(xiàn)在問(wèn)題就變成如何從單電池供電電壓中產(chǎn)生這些電壓。

一種方法是使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將電池電壓提升到5V。有了穩(wěn)定的5V電壓后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以選擇一種需要橋接負(fù)載(BTL)的單電源放大器。通過(guò)橋接方式連接負(fù)載可以自動(dòng)使揚(yáng)聲器看到的電壓翻倍。

但采用5V的BTL放大器理論上只能讓輸出擺幅上升到10Vp-p。這個(gè)電壓還不足以讓陶瓷揚(yáng)聲器輸出最高的SPL值。為了產(chǎn)生更高的聲壓值，電源電壓需要調(diào)整到更高。

另一種方法是使用升壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓升高到5V或者更高，但這樣做也有它自身的問(wèn)題，比如元器件尺寸問(wèn)題。大峰值電感電流會(huì)制約總體解決方案的大小，因?yàn)樽罱K的電感體積必須做得物理體積很大才能讓磁芯不飽和。雖然大電流小體積的電感市場(chǎng)上也有，但磁芯的額定飽和電流可能不夠大，無(wú)法滿足高頻時(shí)大電壓驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器所需的負(fù)載電流要求。

因?yàn)樘沾蓳P(yáng)聲器在高頻時(shí)具有非常低的阻抗，所以在驅(qū)動(dòng)這個(gè)陶瓷器件時(shí)要兼顧大電流驅(qū)動(dòng)和避免限流。

選用來(lái)驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器必須具有足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，以避免在驅(qū)動(dòng)有大量高頻分量的信號(hào)時(shí)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)入限流模式。

圖4是一種采用G類放大器的應(yīng)用電路。G類放大器有多個(gè)可用的電壓軌：一個(gè)高電壓和一個(gè)低電壓。低電壓軌在輸出小信號(hào)時(shí)使用，當(dāng)輸出信號(hào)要求更高的電壓擺幅時(shí)，高電壓軌就被切換到輸出級(jí)電路。

圖4：典型的陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用電路。

因此當(dāng)輸出信號(hào)較小時(shí)，G類放大器的效率要比AB類放大器高，這源于更低的電壓軌。因?yàn)橛休^高的電壓軌，G類放大器仍能處理峰值瞬變信號(hào)。

圖中所示的MAX9788使用了一個(gè)片上電荷泵來(lái)產(chǎn)生與VDD相反的負(fù)電壓。這個(gè)負(fù)電壓軌只在輸出信號(hào)要求更高電壓軌時(shí)才加到輸出電路上。與采用升壓轉(zhuǎn)換器方法的傳統(tǒng)AB類放大器相比，該器件可以更高效地驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器。
揚(yáng)聲器制造商經(jīng)常推薦與陶瓷揚(yáng)聲器串接的固定電阻(RL)，如圖4所示。這個(gè)電阻在信號(hào)包含大量高頻分量時(shí)可以限制放大器的輸出電流。

在某些應(yīng)用中，如果限制送到揚(yáng)聲器的音頻頻率響應(yīng)的帶寬以確保揚(yáng)聲器對(duì)放大器不會(huì)短路，那么可以不用這個(gè)固定電阻。目前市場(chǎng)上陶瓷揚(yáng)聲器的電容值在1uF數(shù)量級(jí)左右。揚(yáng)聲器的阻抗在8kHz時(shí)為20W、在16kHz時(shí)為10W。未來(lái)的陶瓷揚(yáng)聲器可能有更大的電容值，會(huì)迫使放大器在相同信號(hào)頻率下提供更多的電流。

陶瓷揚(yáng)聲器與電動(dòng)式揚(yáng)聲器的效率

傳統(tǒng)電動(dòng)式揚(yáng)聲器的效率很容易計(jì)算。在電氣上音圈繞組可以建模為一個(gè)固定電阻串聯(lián)一個(gè)大電感。

可以使用揚(yáng)聲器的電阻值并根據(jù)歐姆定律計(jì)算提供給負(fù)載的功率：

P=I2R或P=VxI

該功率在揚(yáng)聲器線圈上消耗為熱量。

由于陶瓷揚(yáng)聲器的電容特性，它們?cè)谙墓β蕰r(shí)不會(huì)產(chǎn)生太多的熱量。根據(jù)陶瓷元件的耗散系數(shù)，這種揚(yáng)聲器消耗所謂的無(wú)功功率(blind power)非常小。因此在消耗無(wú)功功率時(shí)產(chǎn)生的熱量也非常小。
不能用簡(jiǎn)單的P=VxI計(jì)算無(wú)功功率

無(wú)功功率應(yīng)這樣計(jì)算：

[插入公式1]
P = (πfCV2) × (cosΦ + DF)
其中：

-c=揚(yáng)聲器的電容值

-v=RMS驅(qū)動(dòng)電壓

-f=驅(qū)動(dòng)電壓的頻率

-cos j=通過(guò)揚(yáng)聲器的電流和揚(yáng)聲器上的電壓之間的相位角

-Df=揚(yáng)聲器的耗散系數(shù)，取決于信號(hào)頻率和陶瓷揚(yáng)聲器的ESR

對(duì)于理想的電容來(lái)說(shuō)，電壓和電流之間的相位角應(yīng)該是90度，而陶瓷揚(yáng)聲器主要是電容特性，因此cos j等于0，也即陶瓷揚(yáng)聲器的電容部分沒(méi)有功耗。但陶瓷材料的非理想特性將導(dǎo)致?lián)P聲器上的電壓滯后于通過(guò)揚(yáng)聲器的電流，它們之間的相位角不完全等于90度。理想的90度相移和實(shí)際相移之間的差異就是耗散系數(shù)。陶瓷揚(yáng)聲器中的Df可以建模為一個(gè)小電阻、ESR和理想電容串聯(lián)。(不要把串聯(lián)電阻與放大器和揚(yáng)聲器之間的隔離電阻混淆起來(lái))
Df是目標(biāo)頻率下ESR對(duì)容抗的比率(參考文獻(xiàn)2和3)：

[插入公式2]
DF = RESR/XC

舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)具有1.6uF電容和1W ESR的揚(yáng)聲器在被5Vrms、5kHz信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)的無(wú)功功率是：

[插入公式 3]
P = (π × 5000 × 1.6e-6 × 52) × (0 + 0.05) = 31.4mW
或31.4mW。

真實(shí)功耗

因此，雖然陶瓷揚(yáng)聲器本身不會(huì)象電動(dòng)式揚(yáng)聲器那樣以熱方式耗散實(shí)際功率，但在驅(qū)動(dòng)放大器輸出級(jí)以及位于放大器與揚(yáng)聲器之間的外部電阻(RL)上會(huì)產(chǎn)生熱量(圖4)。

外部電阻越大，放大器就會(huì)產(chǎn)生更多的功耗，從而影響低頻響應(yīng)。

在驅(qū)動(dòng)帶10W串聯(lián)電阻的陶瓷揚(yáng)聲器時(shí)，我們可以看到無(wú)功功率對(duì)總負(fù)載功率影響很小。大部分功率消耗在外部電阻上，參見(jiàn)圖5所示的放大器功率與頻率曲線圖。

圖5：所需功率與頻率的關(guān)系。

更好的低頻響應(yīng)要求更小的外部電阻，但這樣會(huì)導(dǎo)致放大器的輸出級(jí)功耗提升。放大器效率表明了有多少功率消耗在放大器的輸出級(jí)上。放大器的功耗推動(dòng)了對(duì)包括D類和G類放大器在內(nèi)的更高效解決方案的需求，由于負(fù)載由許多串聯(lián)電阻組成，因此會(huì)在負(fù)載網(wǎng)絡(luò)上而不是揚(yáng)聲器上產(chǎn)生一定的功耗。即使效率100%的放大器，串聯(lián)電阻也會(huì)消耗本來(lái)是給揚(yáng)聲器的功率。

在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，5kHz點(diǎn)提供給負(fù)載的總功率是515mW。效率為53%的放大器將消耗457mW的功率。放大器必需的功耗大小決定了器件所能用的封裝大小。如果必須用高頻正弦波驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，那就要求很大的功耗。

總之，越來(lái)越薄的便攜式設(shè)備推動(dòng)了小體積陶瓷揚(yáng)聲器的需求。這種揚(yáng)聲器有別于傳統(tǒng)的電動(dòng)式揚(yáng)聲器，因此設(shè)計(jì)師需要考慮不同的設(shè)計(jì)要素。陶瓷揚(yáng)聲器的電容特性要求放大器具有高的輸出電壓驅(qū)動(dòng)和大輸出電流能力，這樣才能在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持高電壓。

選用來(lái)驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器必須能夠向混合負(fù)載同時(shí)提供無(wú)功功率和真實(shí)功率。放大器效率必須足夠高才能確保小尺寸和低成本方案。

因此需要使用有別于傳統(tǒng)AB類放大器的放大器拓?fù)?。例如G類和D類放大器等效率更高的解決方案越來(lái)越有吸引力，其中G類放大器可以提供最佳的效率。

表1：陶瓷和電動(dòng)式揚(yáng)聲器的優(yōu)缺點(diǎn)。