- 小巧、輕薄的手機揚聲器設(shè)計
- 陶瓷揚聲器解決方案
如今的便攜式設(shè)備需要更小、更薄、更省電的電子元器件。對于設(shè)計小巧的手機，動圈式揚聲器成為了制造商能否生產(chǎn)出超薄手機的制約因素。在這一需求的推動下，陶瓷或壓電揚聲器迅速興起，成為動圈式揚聲器的替代方案。陶瓷揚聲器能以超薄、緊湊的封裝提供極具競爭力的聲壓電平（SPL），具有取代傳統(tǒng)的動圈式揚聲器的巨大潛力。動圈式揚聲器和陶瓷揚聲器的區(qū)別如表1所示。
驅(qū)動陶瓷揚聲器的放大器電路具有與驅(qū)動傳統(tǒng)動圈式揚聲器不同的輸出驅(qū)動要求。陶瓷揚聲器的結(jié)構(gòu)要求放大器驅(qū)動大電容負(fù)載，并在較高的頻率下輸出更大的電流，同時保持高輸出電壓。
陶瓷揚聲器的特性
陶瓷揚聲器的生產(chǎn)工藝與多層陶瓷電容器類似，與動圈式揚聲器相比，這種制造技術(shù)可以使揚聲器廠商更加嚴(yán)格地控制揚聲器的容差。嚴(yán)格的容差控制對于權(quán)衡揚聲器的選擇非常重要，也影響著不同生產(chǎn)批次產(chǎn)品音頻特性的可重復(fù)性。
陶瓷揚聲器在驅(qū)動放大器端的等效阻抗可以近似為主要由一個大電容組成的RLC電路（圖1）。在音頻頻率范圍內(nèi)，陶瓷揚聲器通常呈現(xiàn)容性。揚聲器的電容特性決定了其阻抗隨頻率的提高而降低。圖2為陶瓷揚聲器阻抗隨頻率的變化關(guān)系，與1µF電容相似。阻抗有一個諧振點，在這個頻點揚聲器的發(fā)聲效率最高。1kHz頻率附近阻抗曲線的下降表示揚聲器的諧振頻率。
聲壓與頻率及振幅的關(guān)系
陶瓷揚聲器兩端的交流電壓導(dǎo)致?lián)P聲器內(nèi)壓電薄膜變形和振動；位移量與輸入信號的幅度成正比。壓電薄膜的振動使周圍空氣流動，從而發(fā)出聲音。揚聲器電壓升高時，壓電元件變形加劇，形成更大的聲壓，從而增加了音量。
陶瓷揚聲器制造商通常規(guī)定了揚聲器的最大驅(qū)動電壓，典型值15VP-P。電壓最大時陶瓷器件的偏移量達(dá)到極限。外加電壓大于額定電壓時不會導(dǎo)致聲壓升高，反而增加了輸出信號的失真度。圖3為電壓最大時，陶瓷揚聲器輸出聲壓（SPL）與頻率的關(guān)系曲線。通過對比SPL與頻率的關(guān)系曲線圖以及阻抗與頻率的關(guān)系曲線圖，可以明顯看出壓電揚聲器產(chǎn)生高SPL時，在自激頻率處效率最高。
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驅(qū)動陶瓷揚聲器對放大器的要求
陶瓷揚聲器制造商規(guī)定電壓取最大值，即14VP-P至15VP-P時聲壓最大。這樣一來，問題就轉(zhuǎn)換成如何在單電源供電時產(chǎn)生這些電壓。解決方法之一是用開關(guān)穩(wěn)壓器將電池電壓升至5V。借助于5V電壓，系統(tǒng)設(shè)計師可以選擇橋接負(fù)載（BTL）的單電源放大器。橋接負(fù)載能夠在揚聲器上產(chǎn)生倍壓效果。然而，用5V單電源為BTL放大器供電時，輸出電壓在理論上只有10VP-P擺幅。在該電壓下陶瓷揚聲器無法輸出最高的SPL。為了得到更高的SPL，必須采用更高的電源電壓。
另一種做法是采用升壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓調(diào)節(jié)至5V或更高，這種方案本身也存在問題—即所需器件的尺寸。根據(jù)電感電流峰值可以判斷總體方案的尺寸，為了保證磁芯不會飽和，電感尺寸必須足夠大。市場上也可以找到大電流、小尺寸的電感。但這類電感的磁芯飽和電流額定值可能不足以滿足要求，在高頻條件下不能提供驅(qū)動揚聲器所需的高壓和大負(fù)載電流。
驅(qū)動陶瓷元件需要大電流，同時還要避免出現(xiàn)限流。這是由于高頻時陶瓷揚聲器阻抗非常低。用來驅(qū)動陶瓷揚聲器的放大器必須有足夠大的驅(qū)動電流，當(dāng)大量高頻成分進(jìn)入揚聲器時器件不會進(jìn)入限流模式。
圖4為采用MAX9788 G類放大器的應(yīng)用電路。G類放大器有兩個電源電壓幅度，高壓和低壓。當(dāng)輸出信號較小時采用低壓供電；當(dāng)輸出信號需要較高的電壓擺幅時，將高壓切換到輸出級供電。由于G類放大器具有低壓電源，因此，當(dāng)輸出信號較小時，效率比AB類放大器高。由于具有高壓電源，G類放大器可承受瞬態(tài)峰值電壓。
圖4中的MAX9788采用一個片上電荷泵產(chǎn)生與VDD相反的負(fù)電源電壓。當(dāng)輸出信號需要高壓驅(qū)動時，負(fù)電源電壓作用于輸出級。MAX9788提供了一種驅(qū)動陶瓷揚聲器的優(yōu)化方案，比采用AB類放大器和升壓轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)方案更高效。
揚聲器制造商通常推薦給陶瓷揚聲器串聯(lián)一個固定電阻（RL），如圖4所示。當(dāng)信號包含大量高頻成分時，用該電阻限制放大器的電流輸出。在某些應(yīng)用中，如果傳輸?shù)綋P聲器的音頻信號的頻率響應(yīng)帶寬受到限制，也可以不使用這個固定電阻。對于放大器來說，使用電阻可確保揚聲器不發(fā)生短路。
現(xiàn)有的陶瓷揚聲器電容約為1µF。圖4中揚聲器的阻抗在8kHz時為20Ω，在16kHz時為10Ω。未來的陶瓷揚聲器可能具有更大電容，使放大器在相同頻率能夠提供更大的電流。
陶瓷揚聲器與動圈式揚聲器的效率
傳統(tǒng)動圈式揚聲器的效率很容易計算。音頻線圈繞組可以近似為固定電阻與一個大電感串聯(lián)。如果已知揚聲器電阻，可用歐姆定律計算負(fù)載功率（P）： P = I²R，或P = V × I。揚聲器的大部分功率被轉(zhuǎn)變成線圈的熱量。
由于陶瓷揚聲器具有電容特性，因此消耗功率時產(chǎn)生的熱量不高。陶瓷揚聲器消耗的是“無功”功率。無功功率非常小，與陶瓷器件的損耗因子有關(guān)。無功功率產(chǎn)生的熱量很少。計算無功功率時不應(yīng)直接采用公式P = V × I;¹應(yīng)采用以下公式計算：
P = （πfCV2） × （cosΦ + DF）
其中：
C = 揚聲器的容值
V = RMS驅(qū)動電壓
f = 驅(qū)動電壓頻率
cosΦ = 揚聲器電流與電壓間的相角
DF = 揚聲器損耗因子，DF值很低，取決于信號頻率及揚聲器的ESR
由于理想的電容器電壓和電流之間的相角為90°，并且陶瓷揚聲器基本呈容性，cosΦ等于零，因此，陶瓷揚聲器模型中的電容部分不會產(chǎn)生任何功耗。陶瓷材料和電介質(zhì)的自身缺點造成揚聲器電壓落后于揚聲器電流一個相位角，該相位角并非精確等于90°。理想相移（90°）與實際相移之間的微小差別定義為損耗因子（DF）。
陶瓷揚聲器的DF可以等效為一個小的等效串聯(lián)電阻（ESR）與理想電容器串聯(lián)。不要將串聯(lián)電阻與放大器和揚聲器之間的隔離電阻混淆。DF是所需頻率下ESR和容抗的比值：2，3
DF = RESR/XC
舉例來說，電容為1.6µF，ESR為1Ω的陶瓷揚聲器，由5VRMS、5kHz信號驅(qū)動時，無功功率為：
P = （π × 5000 × 1.6e-6 × 52） × （0 + 0.05） = 31.4mW
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有功功率
與動圈式揚聲器不同的是，雖然陶瓷揚聲器本身不消耗有功功率，但是，在驅(qū)動放大器輸出級以及功放和揚聲器之間的外部電阻（RL） （圖4）上會產(chǎn)生熱量。外部電阻值越大，為放大器分擔(dān)的耗散功率越大，它以犧牲低頻響應(yīng)特性為代價。
驅(qū)動10Ω串聯(lián)電阻的陶瓷揚聲器時，總負(fù)載功率中無功功率占的比重并不大。大部分功率耗散在外部電阻上，圖5為放大器功率與頻率的關(guān)系曲線。
為了獲得較好的低頻響應(yīng)，應(yīng)選擇小的外部電阻，但會要求放大器輸出級耗散更大的功率。放大器的效率決定了放大器輸出級功率。為獲得大功率放大器，需要采用高效解決方案，如D類和G類放大器。負(fù)載端串聯(lián)一個電阻，可以使功率消耗在負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，而不是揚聲器。即使放大器效率為100%，功率也會消耗在串聯(lián)電阻上，而非揚聲器上。
以圖5為例，5kHz時，提供給負(fù)載的總功率為629mW。效率為53%的放大器功耗為558mW。放大器功耗決定了實際器件的封裝尺寸，如果必須用高頻正弦波驅(qū)動陶瓷揚聲器，則會消耗大量功率。
結(jié)束語
便攜式設(shè)備的小巧、輕薄設(shè)計是推動小型陶瓷揚聲器應(yīng)用需求的主要動力。陶瓷揚聲器不同于傳統(tǒng)動圈式揚聲器，應(yīng)考慮采用新的設(shè)計方案。陶瓷揚聲器的電容特性要求放大器具有高輸出電壓和大輸出電流，從而在工作頻率范圍內(nèi)保持高壓驅(qū)動。選擇驅(qū)動陶瓷揚聲器的放大器時，必須能夠為復(fù)雜負(fù)載提供無功功率和有功功率。為了支持小尺寸、低成本方案，要求放大器具有較高的工作效率。為滿足以上要求，需要采用與傳統(tǒng)AB類放大器不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。更有效的解決方案，如 G類或D類放大器，成為極具吸引力的方案，綜合考慮成本、元件數(shù)量等指標(biāo)，G類放大器是能夠獲得最佳折衷的解決方案。
