驅動陶瓷揚聲器的放大器設計考量

　　今天的便攜式設備推動了對更小、更薄以及更高功效電子器件的需求。現在蜂窩電話的外形已經變得相當纖薄，以至于傳統的電動式揚聲器已經成為制造商將手機能制造成多薄的限制因素。陶瓷或壓電揚聲器正在迅速成為電動式揚聲器的可行替代器件。這些陶瓷揚聲器(驅動器)可以以纖薄而小巧的封裝提供極具競爭力的聲壓水平(SPL)，它們極有可能替代傳統的音圈電動式揚聲器。

　　驅動陶瓷揚聲器的放大器電路與驅動傳統電動式揚聲器的放大器電路相比有不同的輸出驅動要求。陶瓷揚聲器的結構要求放大器能夠驅動較大的容性負載，能在高頻時提供更大電流，同時還要能保持較高的輸出電壓。

　　陶瓷揚聲器的特性

　　陶瓷揚聲器制造商使用的技術非常類似于制造多層陶瓷電容所用的技術。與電動式揚聲器相比，這種制造技術能使揚聲器制造商更嚴格地控制揚聲器的容差。在要統一揚聲器并取得一致的聲學特性時，嚴格的結構容差非常重要。

　　從驅動放大器可以看出，陶瓷揚聲器的阻抗可以建模為一個RLC電路，它帶有一個大電容，這個大電容是該模型中的主要部件，如圖1所示。對大部分音頻頻率來說，陶瓷揚聲器主要表現為容性。揚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電容相似的陶瓷揚聲器阻抗與頻率特性。

圖1：陶瓷揚聲器的模型。

圖2：陶瓷揚聲器和1uF電容的阻抗與頻率特性。

　　上述阻抗同樣有個諧振點。揚聲器在諧振點頻率之上發聲效率最高。在1kHz處的阻抗下降表示了揚聲器的諧振頻率。

　　聲壓與頻率和幅度的關系

　　在陶瓷揚聲器的兩端施加一個交替變化的電壓可以使揚聲器內部的壓電薄膜變形和振動，其位移距離與輸入信號成正比。振動著的壓電薄膜推動周圍的空氣，從而產生聲音。提高揚聲器上的電壓可以增加壓電元件偏轉幅度，從而產生更大的聲壓，由此可以提高音量。

　　陶瓷揚聲器制造商一般用最大端電壓來標示他們的揚聲器，一般為15Vp-p左右。表示陶瓷器件在這個最大電壓下達到最大伸展。如果施加比額定電壓更高的電壓不會產生更高的聲壓，卻會增加輸出信號的失真度，見圖3。

圖3：陶瓷揚聲器的SPL與頻率的關系。

　　通過比較SPL與頻率以及阻抗與頻率的曲線圖可以看出，壓電揚聲器在自諧振頻率以上產生大SPL的效率最高。

　　放大器要求

　　陶瓷揚聲器制造商通常規定在14到15Vp-p的最大電壓點產生最大的聲壓值。現在問題就變成如何從單電池供電電壓中產生這些電壓。

　　一種方法是使用開關穩壓器將電池電壓提升到5V。有了穩定的5V電壓后，系統設計師可以選擇一種需要橋接負載(BTL)的單電源放大器。通過橋接方式連接負載可以自動使揚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。這個電壓還不足以讓陶瓷揚聲器輸出最高的SPL值。為了產生更高的聲壓值，電源電壓需要調整到更高。

　　另一種方法是使用升壓轉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題，比如元器件尺寸問題。大峰值電感電流會制約總體解決方案的大小，因為最終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上也有，但磁芯的額定飽和電流可能不夠大，無法滿足高頻時大電壓驅動揚聲器所需的負載電流要求。

　　因為陶瓷揚聲器在高頻時具有非常低的阻抗，所以在驅動這個陶瓷器件時要兼顧大電流驅動和避免限流。

　　選用來驅動陶瓷揚聲器的放大器必須具有足夠大的驅動電流，以避免在驅動有大量高頻分量的信號時驅動揚聲器進入限流模式。

　　圖4是一種采用G類放大器的應用電路。G類放大器有多個可用的電壓軌：一個高電壓和一個低電壓。低電壓軌在輸出小信號時使用，當輸出信號要求更高的電壓擺幅時，高電壓軌就被切換到輸出級電路。

圖4：典型的陶瓷揚聲器應用電路。