驅(qū)動陶瓷揚聲器的放大器設(shè)計考量

今天的便攜式設(shè)備推動了對更小、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)變得相當纖薄，以至于傳統(tǒng)的電動式揚聲器已經(jīng)成為制造商將手機能制造成多薄的限制因素。陶瓷或壓電揚聲器正在迅速成為電動式揚聲器的可行替代器件。這些陶瓷揚聲器(驅(qū)動器)可以以纖薄而小巧的封裝提供極具競爭力的聲壓水平(SPL)，它們極有可能替代傳統(tǒng)的音圈電動式揚聲器。

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

陶瓷揚聲器的特性

陶瓷揚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)。與電動式揚聲器相比，這種制造技術(shù)能使揚聲器制造商更嚴格地控制揚聲器的容差。在要統(tǒng)一揚聲器并取得一致的聲學特性時，嚴格的結(jié)構(gòu)容差非常重要。
從驅(qū)動放大器可以看出，陶瓷揚聲器的阻抗可以建模為一個RLC電路，它帶有一個大電容，這個大電容是該模型中的主要部件，如圖1所示。對大部分音頻頻率來說，陶瓷揚聲器主要表現(xiàn)為容性。揚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電容相似的陶瓷揚聲器阻抗與頻率特性。

圖1：陶瓷揚聲器的模型。

圖2：陶瓷揚聲器和1uF電容的阻抗與頻率特性。

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

聲壓與頻率和幅度的關(guān)系

在陶瓷揚聲器的兩端施加一個交替變化的電壓可以使揚聲器內(nèi)部的壓電薄膜變形和振動，其位移距離與輸入信號成正比。振動著的壓電薄膜推動周圍的空氣，從而產(chǎn)生聲音。提高揚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。

陶瓷揚聲器制造商一般用最大端電壓來標示他們的揚聲器，一般為15Vp-p左右。表示陶瓷器件在這個最大電壓下達到最大伸展。如果施加比額定電壓更高的電壓不會產(chǎn)生更高的聲壓，卻會增加輸出信號的失真度，見圖3。

圖3：陶瓷揚聲器的SPL與頻率的關(guān)系。

通過比較SPL與頻率以及阻抗與頻率的曲線圖可以看出，壓電揚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

陶瓷揚聲器制造商通常規(guī)定在14到15Vp-p的最大電壓點產(chǎn)生最大的聲壓值。現(xiàn)在問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)計師可以選擇一種需要橋接負載(BTL)的單電源放大器。通過橋接方式連接負載可以自動使揚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。這個電壓還不足以讓陶瓷揚聲器輸出最高的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題，比如元器件尺寸問題。大峰值電感電流會制約總體解決方案的大小，因為最終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上也有，但磁芯的額定飽和電流可能不夠大，無法滿足高頻時大電壓驅(qū)動揚聲器所需的負載電流要求。

因為陶瓷揚聲器在高頻時具有非常低的阻抗，所以在驅(qū)動這個陶瓷器件時要兼顧大電流驅(qū)動和避免限流。

選用來驅(qū)動陶瓷揚聲器的放大器必須具有足夠大的驅(qū)動電流，以避免在驅(qū)動有大量高頻分量的信號時驅(qū)動揚聲器進入限流模式。

圖4是一種采用G類放大器的應(yīng)用電路。G類放大器有多個可用的電壓軌：一個高電壓和一個低電壓。低電壓軌在輸出小信號時使用，當輸出信號要求更高的電壓擺幅時，高電壓軌就被切換到輸出級電路。

圖4：典型的陶瓷揚聲器應(yīng)用電路。

因此當輸出信號較小時，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。因為有較高的電壓軌，G類放大器仍能處理峰值瞬變信號。

圖中所示的MAX9788使用了一個片上電荷泵來產(chǎn)生與VDD相反的負電壓。這個負電壓軌只在輸出信號要求更高電壓軌時才加到輸出電路上。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)動陶瓷揚聲器。
揚聲器制造商經(jīng)常推薦與陶瓷揚聲器串接的固定電阻(RL)，如圖4所示。這個電阻在信號包含大量高頻分量時可以限制放大器的輸出電流。

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

陶瓷揚聲器與電動式揚聲器的效率

傳統(tǒng)電動式揚聲器的效率很容易計算。在電氣上音圈繞組可以建模為一個固定電阻串聯(lián)一個大電感。

可以使用揚聲器的電阻值并根據(jù)歐姆定律計算提供給負載的功率：

P=I2R或P=VxI

該功率在揚聲器線圈上消耗為熱量。

由于陶瓷揚聲器的電容特性，它們在消耗功率時不會產(chǎn)生太多的熱量。根據(jù)陶瓷元件的耗散系數(shù)，這種揚聲器消耗所謂的無功功率(blind power)非常小。因此在消耗無功功率時產(chǎn)生的熱量也非常小。
不能用簡單的P=VxI計算無功功率

無功功率應(yīng)這樣計算：

[插入公式1]
P = (πfCV2) × (cosΦ + DF)
其中：

-c=揚聲器的電容值

-v=RMS驅(qū)動電壓

-f=驅(qū)動電壓的頻率

-cos j=通過揚聲器的電流和揚聲器上的電壓之間的相位角

-Df=揚聲器的耗散系數(shù)，取決于信號頻率和陶瓷揚聲器的ESR

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

[插入公式2]
DF = RESR/XC

舉例來說，一個具有1.6uF電容和1W ESR的揚聲器在被5Vrms、5kHz信號驅(qū)動時的無功功率是：

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

真實功耗

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

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

在驅(qū)動帶10W串聯(lián)電阻的陶瓷揚聲器時，我們可以看到無功功率對總負載功率影響很小。大部分功率消耗在外部電阻上，參見圖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，但這樣會導致放大器的輸出級功耗提升。放大器效率表明了有多少功率消耗在放大器的輸出級上。放大器的功耗推動了對包括D類和G類放大器在內(nèi)的更高效解決方案的需求，由于負載由許多串聯(lián)電阻組成，因此會在負載網(wǎng)絡(luò)上而不是揚聲器上產(chǎn)生一定的功耗。即使效率100%的放大器，串聯(lián)電阻也會消耗本來是給揚聲器的功率。

在這個簡單的例子中，5kHz點提供給負載的總功率是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)動揚聲器，那就要求很大的功耗。

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

選用來驅(qū)動陶瓷揚聲器的放大器必須能夠向混合負載同時提供無功功率和真實功率。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撲。例如G類和D類放大器等效率更高的解決方案越來越有吸引力，其中G類放大器可以提供最佳的效率。

表1：陶瓷和電動式揚聲器的優(yōu)缺點。