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(lèi)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?，從而產(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(lèi)放大器的應(yīng)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(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。