陶瓷揚聲器系統的放大器設計

摘要：給出了陶瓷揚聲器系統的放大器解決方案。

關鍵詞：音頻；陶瓷揚聲器；放大器；G類

如今的便攜式設備需要更小、更薄、更省電的電子元器件。對于設計小巧的手機，動圈式揚聲器成為了制造商能否生產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別如表1所示。

驅動陶瓷揚聲器的放大器電路具有與驅動傳統動圈式揚聲器不同的輸出驅動要求。陶瓷揚聲器的結構要求放大器驅動大電容負載，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，這種制造技術可以使揚聲器廠商更加嚴格地控制揚聲器的容差。嚴格的容差控制對于權衡揚聲器的選擇非常重要，也影響著不同生產批次產品音頻特性的可重復性。陶瓷揚聲器在驅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，陶瓷揚聲器通常呈現容性。揚聲器的電容特性決定了其阻抗隨頻率的提高而降低。阻抗有一個諧振點，在這個頻點揚聲器的發聲效率最高。

聲壓與頻率及振幅的關系

陶瓷揚聲器兩端的交流電壓導致揚聲器內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定了揚聲器的最大驅動電壓，典型值15V_p.po。電壓最大時陶瓷器件的偏移量達到極限。外加電壓大干額定電壓時不會導致聲壓升高，反而增加了輸出信號的失真度。

驅動陶瓷揚聲器對放大器的要求

陶瓷揚聲器制造商規定電壓取最大值，即14V_p-p～15V_p-p時聲壓最大。這樣一來，問題就轉換成如何在單電源供電時產生這些電壓。解決方法之一是用開關穩壓器將電池電壓升至5V_o借助于5V電壓，系統設計師可以選擇橋接負載(BTL)的單電源放大器。橋接負載能夠在揚聲器上產生倍壓效果。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10V_p-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換器將電池電壓調節至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動揚聲器所需的高壓和大負載電流。驅動陶瓷元件需要大電流，同時還要避免出現限流。這是由于高頻時陶瓷揚聲器阻抗非常低。用來驅動陶瓷揚聲器的放大器必須有足夠大的驅動電流，當大量高頻成分進入揚聲器時器件不會進入限流模式。

圖2為采用MAX9788 G類放大器的應用電路。G類放大器有兩個電源電壓幅度，高壓和低壓。當輸出信號較小時采用低壓供電；當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峰值電壓。圖2中的MAX9788采用一個片上電荷泵產生與VDD相反的負電源電壓。當輸出信號需要高壓驅動時，負電源電壓作用于輸出級。MAX9788提供了一種驅動陶瓷揚聲器的優化方案，比采用AB類放大器和升壓轉換器的傳統方案更高效。揚聲器制造商通常推薦給陶瓷揚聲器串聯一個固定電阻(R₁)，如圖2所示。當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。在某些應用中，如果傳輸到揚聲器的音頻信號的頻率響應帶寬受到限制，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生短路。

現有的陶瓷揚聲器電容約為1uF。圖2中揚聲器的阻抗在8kHz時為20Q，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。如果已知揚聲器電阻，可用歐姆定律計算負載功率(P)：P=I²R，或P=V×I。揚聲器的大部分功率被轉變成線圈的熱量。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。無功功率產生的熱量很少。計算無功功率時不應直接采用公式P=V×I；應采用以下公式計算：

p=(πfCV²)×(COSφ+DF)其中：C=揚聲器的容值，V=RMS驅動電壓，f=驅動電壓頻率，cosq0=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，cosq0等于零，因此，陶瓷揚聲器模型中的電容部分不會產生任何功耗。陶瓷材料和電介質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電阻(ESR)與理想電容器串聯。不要將串聯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：DF=R_ESR/X_c

舉例來說，電容為1.6uF，ESR為1的陶瓷揚聲器，由5V_RMS、5kHz信號驅動時，無功功率為：

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

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，在驅動放大器輸出級以及功放和揚聲器之間的外部電阻(R₁)(圖2)上會產生熱量。外部電阻值越大，為放大器分擔的耗散功率越大，它以犧牲低頻響應特性為代價。驅動10Ω串聯電阻的陶瓷揚聲器時，總負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。

為了獲得較好的低頻響應，應選擇小的外部電阻，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。負載端串聯一個電阻，可以使功率消耗在負載網絡，而不是揚聲器。即使放大器效率為100％，功率也會消耗在串聯電阻上，而非揚聲器上。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動陶瓷揚聲器，則會消耗大量功率。

結語

便攜式設備的小巧、輕薄設計是推動小型陶瓷揚聲器應用需求的主要動力。陶瓷揚聲器不同于傳統動圈式揚聲器，應考慮采用新的設計方案。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保持高壓驅動。選擇驅動陶瓷揚聲器的放大器時，必須能夠為復雜負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AB類放大器不同的拓撲結構。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、元件數量等指標，G類放大器是能夠獲得最佳折衷的解決方案。