驅動(dòng)陶瓷揚聲器的放大器設計考量

　　今天的便攜式設備推動(dòng)了對更小、更薄以及更高功效電子器件的需求?，F在蜂窩電話(huà)的外形已經(jīng)變得相當纖薄，以至于傳統的電動(dòng)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(dòng)式揚聲器的可行替代器件。這些陶瓷揚聲器(驅動(dòng)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的音圈電動(dòng)式揚聲器。

　　驅動(dòng)陶瓷揚聲器的放大器電路與驅動(dòng)傳統電動(dòng)式揚聲器的放大器電路相比有不同的輸出驅動(dòng)要求。陶瓷揚聲器的結構要求放大器能夠驅動(dòng)較大的容性負載，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。

　　陶瓷揚聲器的特性

　　陶瓷揚聲器制造商使用的技術(shù)非常類(lèi)似于制造多層陶瓷電容所用的技術(shù)。與電動(dòng)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。在要統一揚聲器并取得一致的聲學(xué)特性時(shí)，嚴格的結構容差非常重要。

　　從驅動(dòng)放大器可以看出，陶瓷揚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。對大部分音頻頻率來(lái)說(shuō)，陶瓷揚聲器主要表現為容性。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(gè)諧振點(diǎn)。揚聲器在諧振點(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(gè)交替變化的電壓可以使揚聲器內部的壓電薄膜變形和振動(dòng)，其位移距離與輸入信號成正比。振動(dòng)著(zhù)的壓電薄膜推動(dòng)周?chē)目諝?，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(lái)標示他們的揚聲器，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 )增加輸出信號的失真度，見(jiàn)圖3。

圖3：陶瓷揚聲器的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(xiàn)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定在14到15Vp-p的最大電壓點(diǎn)產(chǎn)生最大的聲壓值?，F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)穩壓器將電池電壓提升到5V。有了穩定的5V電壓后，系統設計師可以選擇一種需要橋接負載(BTL)的單電源放大器。通過(guò)橋接方式連接負載可以自動(dòng)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(gè)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，電源電壓需要調整到更高。

　　另一種方法是使用升壓轉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(chǎng)上也有，但磁芯的額定飽和電流可能不夠大，無(wú)法滿(mǎn)足高頻時(shí)大電壓驅動(dòng)揚聲器所需的負載電流要求。

　　因為陶瓷揚聲器在高頻時(shí)具有非常低的阻抗，所以在驅動(dòng)這個(gè)陶瓷器件時(shí)要兼顧大電流驅動(dòng)和避免限流。

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

　　圖4是一種采用G類(lèi)放大器的應用電路。G類(lèi)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時(shí)使用，當輸出信號要求更高的電壓擺幅時(shí)，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用電路。