陶瓷揚(yáng)聲器系統(tǒng)的放大器設(shè)計(jì)

摘要：新型蜂窩電話設(shè)計(jì)在要求小外形尺寸的同時(shí)還需要保持良好的音質(zhì)，揚(yáng)聲器是制約超薄設(shè)計(jì)的主要因素。陶瓷揚(yáng)聲器或壓阻揚(yáng)聲器為新一代手機(jī)設(shè)計(jì)打開(kāi)了方便之門(mén)，考慮到陶瓷揚(yáng)聲器的電容特性，在選擇驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的放大器時(shí)需要注意一些事項(xiàng)。

本文還發(fā)表在Maxim工程期刊，第62期(PDF, 1.1MB)。

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(duì)于設(shè)計(jì)小巧的手機(jī)，動(dòng)圈式揚(yáng)聲器成為了制造商能否生產(chǎn)出超薄手機(jī)的制約因素。在這一需求的推動(dòng)下，陶瓷或壓電揚(yáng)聲器迅速興起，成為動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的替代方案。陶瓷揚(yáng)聲器能以超薄、緊湊的封裝提供極具競(jìng)爭(zhēng)力的聲壓電平(SPL)，具有取代傳統(tǒng)的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的巨大潛力。動(dòng)圈式揚(yáng)聲器和陶瓷揚(yáng)聲器的區(qū)別如表1所示。

表1. 陶瓷揚(yáng)聲器和動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

Ceramic Speakers		Dynamic Speakers
Advantages	Disadvantages	Advantages	Disadvantages
???High efficiency ???Very thin form factor ???Tight manufacturing tolerances ???Smaller acoustic cavity required	???Large drive voltage required ???Restricted low-frequency response ???Capacitive load	???Inexpensive ???Proven technology ???Smooth frequency response	???Wide manufacturing tolerances ???Inefficient ???Thick solution size ???Larger acoustic cavity required

驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器電路具有與驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器不同的輸出驅(qū)動(dòng)要求。陶瓷揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)要求放大器驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載，并在較高的頻率下輸出更大的電流，同時(shí)保持高輸出電壓。

陶瓷揚(yáng)聲器的特性

陶瓷揚(yáng)聲器的生產(chǎn)工藝與多層陶瓷電容器類似，與動(dòng)圈式揚(yáng)聲器相比，這種制造技術(shù)可以使揚(yáng)聲器廠商更加嚴(yán)格地控制揚(yáng)聲器的容差。嚴(yán)格的容差控制對(duì)于權(quán)衡揚(yáng)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(yáng)聲器在驅(qū)動(dòng)放大器端的等效阻抗可以近似為主要由一個(gè)大電容組成的RLC電路(圖1)。在音頻頻率范圍內(nèi)，陶瓷揚(yáng)聲器通常呈現(xiàn)容性。揚(yáng)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(yáng)聲器阻抗隨頻率的變化關(guān)系，與1μF電容相似。阻抗有一個(gè)諧振點(diǎn)，在這個(gè)頻點(diǎn)揚(yáng)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(yáng)聲器的諧振頻率。

圖1. 陶瓷揚(yáng)聲器主要表現(xiàn)為一個(gè)大的容性負(fù)載

圖2. 陶瓷揚(yáng)聲器阻抗與頻率的關(guān)系，與1μF電容非常相似

聲壓與頻率及振幅的關(guān)系

陶瓷揚(yáng)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(dòng)；位移量與輸入信號(hào)的幅度成正比。壓電薄膜的振動(dòng)使周?chē)諝饬鲃?dòng)，從而發(fā)出聲音。揚(yáng)聲器電壓升高時(shí)，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(yáng)聲器制造商通常規(guī)定了揚(yáng)聲器的最大驅(qū)動(dòng)電壓，典型值15VP-P。電壓最大時(shí)陶瓷器件的偏移量達(dá)到極限。外加電壓大于額定電壓時(shí)不會(huì)導(dǎo)致聲壓升高，反而增加了輸出信號(hào)的失真度。圖3為電壓最大時(shí)，陶瓷揚(yáng)聲器輸出聲壓(SPL)與頻率的關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)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(yáng)聲器產(chǎn)生高SPL時(shí)，在自激頻率處效率最高。

圖3. 當(dāng)電壓大于揚(yáng)聲器額定電壓時(shí)輸出信號(hào)失真加劇

驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器對(duì)放大器的要求

陶瓷揚(yáng)聲器制造商規(guī)定電壓取最大值，即14VP-P至15VP-P時(shí)聲壓最大。這樣一來(lái)，問(wèn)題就轉(zhuǎn)換成如何在單電源供電時(shí)產(chǎn)生這些電壓。解決方法之一是用開(kāi)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(jì)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(yáng)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(shí)，輸出電壓在理論上只有10VP-P擺幅。在該電壓下陶瓷揚(yáng)聲器無(wú)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(wèn)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(huì)飽和，電感尺寸必須足夠大。市場(chǎng)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(dòng)揚(yáng)聲器所需的高壓和大負(fù)載電流。

驅(qū)動(dòng)陶瓷元件需要大電流，同時(shí)還要避免出現(xiàn)限流。這是由于高頻時(shí)陶瓷揚(yáng)聲器阻抗非常低。用來(lái)驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器必須有足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)大量高頻成分進(jìn)入揚(yáng)聲器時(shí)器件不會(huì)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(gè)電源電壓幅度，高壓和低壓。當(dāng)輸出信號(hào)較小時(shí)采用低壓供電；當(dāng)輸出信號(hào)需要較高的電壓擺幅時(shí)，將高壓切換到輸出級(jí)供電。由于G類放大器具有低壓電源，因此，當(dāng)輸出信號(hào)較小時(shí)，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. 采用MAX9788的典型陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用電路

圖4中的MAX9788采用一個(gè)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(hào)需要高壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，負(fù)電源電壓作用于輸出級(jí)。MAX9788提供了一種驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)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(yáng)聲器制造商通常推薦給陶瓷揚(yáng)聲器串聯(lián)一個(gè)固定電阻(RL)，如圖4所示。當(dāng)信號(hào)包含大量高頻成分時(shí)，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(yáng)聲器的音頻信號(hào)的頻率響應(yīng)帶寬受到限制，也可以不使用這個(gè)固定電阻。對(duì)于放大器來(lái)說(shuō)，使用電阻可確保揚(yáng)聲器不發(fā)生短路。

現(xiàn)有的陶瓷揚(yáng)聲器電容約為1μF。圖4中揚(yáng)聲器的阻抗在8kHz時(shí)為20Ω，在16kHz時(shí)為10Ω。未來(lái)的陶瓷揚(yáng)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(yáng)聲器與動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的效率

傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的效率很容易計(jì)算。音頻線圈繞組可以近似為固定電阻與一個(gè)大電感串聯(lián)。如果已知揚(yáng)聲器電阻，可用歐姆定律計(jì)算負(fù)載功率(P)： P = I2R，或P = V × I。揚(yáng)聲器的大部分功率被轉(zhuǎn)變成線圈的熱量。

由于陶瓷揚(yáng)聲器具有電容特性，因此消耗功率時(shí)產(chǎn)生的熱量不高。陶瓷揚(yáng)聲器消耗的是“無(wú)功”功率。無(wú)功功率非常小，與陶瓷器件的損耗因子有關(guān)。無(wú)功功率產(chǎn)生的熱量很少。計(jì)算無(wú)功功率時(shí)不應(yīng)直接采用公式P = V × I;1應(yīng)采用以下公式計(jì)算：

P = (πfCV2) × (cosΦ + DF)

其中：
C = 揚(yáng)聲器的容值
V = RMS驅(qū)動(dòng)電壓
f = 驅(qū)動(dòng)電壓頻率
cosΦ = 揚(yáng)聲器電流與電壓間的相角
DF = 揚(yáng)聲器損耗因子，DF值很低，取決于信號(hào)頻率及揚(yáng)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(yáng)聲器基本呈容性，cosΦ等于零，因此，陶瓷揚(yáng)聲器模型中的電容部分不會(huì)產(chǎn)生任何功耗。陶瓷材料和電介質(zhì)的自身缺點(diǎn)造成揚(yáng)聲器電壓落后于揚(yáng)聲器電流一個(gè)相位角，該相位角并非精確等于90°。理想相移(90°)與實(shí)際相移之間的微小差別定義為損耗因子(DF)。

陶瓷揚(yáng)聲器的DF可以等效為一個(gè)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(yáng)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(lái)說(shuō)，電容為1.6μF，ESR為1Ω的陶瓷揚(yáng)聲器，由5VRMS、5kHz信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，無(wú)功功率為：

P = (π × 5000 × 1.6e-6 × 52) × (0 + 0.05) = 31.4mW

有功功率

與動(dòng)圈式揚(yáng)聲器不同的是，雖然陶瓷揚(yáng)聲器本身不消耗有功功率，但是，在驅(qū)動(dòng)放大器輸出級(jí)以及功放和揚(yáng)聲器之間的外部電阻(RL) (圖4)上會(huì)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(jià)。

驅(qū)動(dòng)10Ω串聯(lián)電阻的陶瓷揚(yáng)聲器時(shí)，總負(fù)載功率中無(wú)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。

圖5. 無(wú)功功率在陶瓷揚(yáng)聲器總負(fù)載功率中占的比重很小，主要功率耗散在外部電阻上

為了獲得較好的低頻響應(yīng)，應(yīng)選擇小的外部電阻，但會(huì)要求放大器輸出級(jí)耗散更大的功率。放大器的效率決定了放大器輸出級(jí)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(gè)電阻，可以使功率消耗在負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，而不是揚(yáng)聲器。即使放大器效率為100%，功率也會(huì)消耗在串聯(lián)電阻上，而非揚(yáng)聲器上。

以圖5為例，5kHz時(shí)，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(shí)際器件的封裝尺寸，如果必須用高頻正弦波驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器，則會(huì)消耗大量功率。

結(jié)束語(yǔ)

便攜式設(shè)備的小巧、輕薄設(shè)計(jì)是推動(dòng)小型陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用需求的主要?jiǎng)恿ΑＬ沾蓳P(yáng)聲器不同于傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，應(yīng)考慮采用新的設(shè)計(jì)方案。陶瓷揚(yáng)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(dòng)。選擇驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器時(shí)，必須能夠?yàn)閺?fù)雜負(fù)載提供無(wú)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。

參考文獻(xiàn)

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