驅(qū)動陶瓷揚(yáng)聲器的放大器設(shè)計(jì)考量

　　因此當(dāng)輸出信號較小時(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。

　　圖中所示的MAX9788使用了一個(gè)片上電荷泵來產(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)聲器對放大器不會短路，那么可以不用這個(gè)固定電阻。目前市場上陶瓷揚(yáng)聲器的電容值在1uF數(shù)量級左右。揚(yáng)聲器的阻抗在8kHz時(shí)為20W、在16kHz時(shí)為10W。未來的陶瓷揚(yáng)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(yáng)聲器與電動式揚(yáng)聲器的效率

　　傳統(tǒng)電動式揚(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，它們在消耗功率時(shí)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(yáng)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(shí)產(chǎn)生的熱量也非常小。

　　不能用簡單的P=VxI計(jì)算無功功率

　　無功功率應(yīng)這樣計(jì)算：

　　P = (πfCV2) × (cosΦ + DF)

　　其中：c=揚(yáng)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(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)，取決于信號頻率和陶瓷揚(yáng)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(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) Df是目標(biāo)頻率下ESR對容抗的比率(參考文獻(xiàn)2和3)：

　　DF = RESR/XC

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

　　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)聲器本身不會象電動式揚(yáng)聲器那樣以熱方式耗散實(shí)際功率，但在驅(qū)動放大器輸出級以及位于放大器與揚(yáng)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(yáng)聲器時(shí)，我們可以看到無功功率對總負(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(dǎo)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(fù)載由許多串聯(lián)電阻組成，因此會在負(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)電阻也會消耗本來是給揚(yáng)聲器的功率。

　　在這個(gè)簡單的例子中，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)動揚(yáng)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(yáng)聲器的需求。這種揚(yáng)聲器有別于傳統(tǒng)的電動式揚(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。

　　選用來驅(qū)動陶瓷揚(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(yáng)聲器的優(yōu)缺點(diǎn)。