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摘要： 給出了陶瓷揚(yáng)聲器" title="陶瓷揚(yáng)聲器">陶瓷揚(yáng)聲器系統(tǒng)的放大器解決方案。
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關(guān)鍵詞： 音頻；陶瓷揚(yáng)聲器；放大器；G類
? 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(jī)，動圈式揚(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。在這一需求的推動下，陶瓷或壓電揚(yáng)聲器迅速興起，成為動圈式揚(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爭力的聲壓電平(SPL)，具有取代傳統(tǒng)的動圈式揚(yáng)聲器的巨大潛力。動圈式揚(yáng)聲器和陶瓷揚(yáng)聲器的區(qū)別如表1所示。
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驅(qū)動陶瓷揚(yáng)聲器的放大器電路具有與驅(qū)動傳統(tǒng)動圈式揚(yáng)聲器不同的輸出驅(qū)動要求。陶瓷揚(yáng)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。
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陶瓷揚(yáng)聲器的特性
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陶瓷揚(yáng)聲器的生產(chǎn)工藝與多層陶瓷電容器類似，與動圈式揚(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(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。阻抗有一個諧振點(diǎn)，在這個頻點(diǎn)揚(yáng)聲器的發(fā)聲效率最高。
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圖1 陶瓷揚(yáng)聲器主要表現(xiàn)為一個大的容性負(fù)載
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聲壓與頻率及振幅的關(guān)系
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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；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(yáng)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(yáng)聲器制造商通常規(guī)定了揚(yáng)聲器的最大驅(qū)動電壓" title="驅(qū)動電壓">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。
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驅(qū)動陶瓷揚(yáng)聲器對放大器的要求
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陶瓷揚(yáng)聲器制造商規(guī)定電壓取最大值，即14VP-P~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(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，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。
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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(yáng)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(yáng)聲器阻抗非常低。用來驅(qū)動陶瓷揚(yáng)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(yáng)聲器時器件不會進(jìn)入限流模式。
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圖2 采用MAX9788的典型陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用電路
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圖2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2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(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)一個固定電阻(RL)，如圖2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(yáng)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(yáng)聲器不發(fā)生短路。
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現(xiàn)有的陶瓷揚(yáng)聲器電容約為1mF。圖2中揚(yáng)聲器的阻抗在8kHz時為20W，在16kHz時為10W。未來的陶瓷揚(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。
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陶瓷揚(yáng)聲器與動圈式揚(yáng)聲器的效率
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傳統(tǒng)動圈式揚(yáng)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(yáng)聲器電阻，可用歐姆定律計算負(fù)載功率(P)： P = I2R，或P = VI。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，因此消耗功率時產(chǎn)生的熱量不高。陶瓷揚(yáng)聲器消耗的是“無功”功率。無功功率" title="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 x I；應(yīng)采用以下公式計算：
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p=(pfCV2)(cosj+DF)其中：C=揚(yáng)聲器的容值，V=RMS驅(qū)動電壓，f=驅(qū)動電壓頻率，cosj=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，取決于信號頻率及揚(yáng)聲器的ESR。
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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，cosj等于零，因此，陶瓷揚(yáng)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(diǎn)造成揚(yáng)聲器電壓落后于揚(yáng)聲器電流一個相位角，該相位角并非精確等于90o。理想相移(90o)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可以等效為一個小的等效串聯(lián)電阻" title="串聯(lián)電阻">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：DF=RESR/XC
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舉例來說，電容為1.6mF，ESR為1的陶瓷揚(yáng)聲器，由5VRMS、5kHz信號驅(qū)動時，無功功率為：
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p=(p50001.6e-652)(0+0.05)=31.4mW
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有功功率
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與動圈式揚(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)動放大器輸出級以及功放和揚(yáng)聲器之間的外部電阻" title="外部電阻">外部電阻(RL) (圖2)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10W串聯(lián)電阻的陶瓷揚(yáng)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。
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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(yáng)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(yáng)聲器上。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)動陶瓷揚(yáng)聲器，則會消耗大量功率。
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結(jié)語
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便攜式設(shè)備的小巧、輕薄設(shè)計是推動小型陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用需求的主要動力。陶瓷揚(yáng)聲器不同于傳統(tǒng)動圈式揚(yáng)聲器，應(yīng)考慮采用新的設(shè)計方案。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。選擇驅(qū)動陶瓷揚(yáng)聲器的放大器時，必須能夠?yàn)閺?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。
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參考文獻(xiàn)：
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1. Blind Power Dissipation in a Piezo Ceramic Load for a Sine Wave, Sonitron NV.
2. Piezoelectric Transducers：Distributed Mode Actuators, National Semiconductor,
www.techonline.com/learning/techpaper/193600345
3. Application Notes for Multilayer Ceramic Capacitors, Kemet Electronics,