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(dòng)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(dòng)下，陶瓷或壓電揚聲器迅速興起，成為動(dòng)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(dòng)圈式揚聲器的巨大潛力。動(dòng)圈式揚聲器和陶瓷揚聲器的區別如表1所示。
驅動(dòng)陶瓷揚聲器的放大器電路具有與驅動(dòng)傳統動(dòng)圈式揚聲器不同的輸出驅動(dòng)要求。陶瓷揚聲器的結構要求放大器驅動(dòng)大電容負載，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(lèi)似，與動(dòng)圈式揚聲器相比，這種制造技術(shù)可以使揚聲器廠(chǎng)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(zhù)不同生產(chǎn)批次產(chǎn)品音頻特性的可重復性。
陶瓷揚聲器在驅動(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，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。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(gè)諧振點(diǎn)，在這個(gè)頻點(diǎn)揚聲器的發(fā)聲效率最高。1kHz頻率附近阻抗曲線(xiàn)的下降表示揚聲器的諧振頻率。
圖1. 陶瓷揚聲器主要表現為一個(gè)大的容性負載
圖2. 陶瓷揚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
陶瓷揚聲器兩端的交流電壓導致?lián)P聲器內壓電薄膜變形和振動(dòng)；位移量與輸入信號的幅度成正比。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。
陶瓷揚聲器制造商通常規定了揚聲器的最大驅動(dòng)電壓，典型值15VP-P。電壓最大時(shí)陶瓷器件的偏移量達到極限。外加電壓大于額定電壓時(shí)不會(huì )導致聲壓升高，反而增加了輸出信號的失真度。圖3為電壓最大時(shí)，陶瓷揚聲器輸出聲壓（SPL）與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。通過(guò)對比SPL與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)圖以及阻抗與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)圖，可以明顯看出壓電揚聲器產(chǎn)生高SPL時(shí)，在自激頻率處效率最高。
圖3. 當電壓大于揚聲器額定電壓時(shí)輸出信號失真加劇
驅動(dòng)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14VP-P至15VP-P時(shí)聲壓最大。這樣一來(lái)，問(wèn)題就轉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)穩壓器將電池電壓升至5V。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(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換器將電池電壓調節至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(lèi)電感的磁芯飽和電流額定值可能不足以滿(mǎn)足要求，在高頻條件下不能提供驅動(dòng)揚聲器所需的高壓和大負載電流。
驅動(dòng)陶瓷元件需要大電流，同時(shí)還要避免出現限流。這是由于高頻時(shí)陶瓷揚聲器阻抗非常低。用來(lái)驅動(dòng)陶瓷揚聲器的放大器必須有足夠大的驅動(dòng)電流，當大量高頻成分進(jìn)入揚聲器時(shí)器件不會(huì )進(jìn)入限流模式。
圖4為采用MAX9788 G類(lèi)放大器的應用電路。G類(lèi)放大器有兩個(gè)電源電壓幅度，高壓和低壓。當輸出信號較小時(shí)采用低壓供電；當輸出信號需要較高的電壓擺幅時(shí)，將高壓切換到輸出級供電。由于G類(lèi)放大器具有低壓電源，因此，當輸出信號較小時(shí)，效率比AB類(lèi)放大器高。由于具有高壓電源，G類(lèi)放大器可承受瞬態(tài)峰值電壓。
圖4. 采用MAX9788的典型陶瓷揚聲器應用電路
圖4中的MAX9788采用一個(gè)片上電荷泵產(chǎn)生與VDD相反的負電源電壓。當輸出信號需要高壓驅動(dòng)時(shí)，負電源電壓作用于輸出級。MAX9788提供了一種驅動(dòng)陶瓷揚聲器的優(yōu)化方案，比采用AB類(lèi)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(lián)一個(gè)固定電阻（RL），如圖4所示。當信號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(gè)固定電阻。對于放大器來(lái)說(shuō)，使用電阻可確保揚聲器不發(fā)生短路。
現有的陶瓷揚聲器電容約為1µF。圖4中揚聲器的阻抗在8kHz時(shí)為20Ω，在16kHz時(shí)為10Ω。未來(lái)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(dòng)圈式揚聲器的效率
傳統動(dòng)圈式揚聲器的效率很容易計算。音頻線(xiàn)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(xiàn)圈的熱量。
由于陶瓷揚聲器具有電容特性，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。計算無(wú)功功率時(shí)不應直接采用公式P = V × I;¹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(dòng)電壓
f = 驅動(dòng)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(huì )產(chǎn)生任何功耗。陶瓷材料和電介質(zhì)的自身缺點(diǎn)造成揚聲器電壓落后于揚聲器電流一個(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的陶瓷揚聲器，由5VRMS、5kHz信號驅動(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(dòng)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(huì )產(chǎn)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(jià)。
驅動(dòng)10Ω串聯(lián)電阻的陶瓷揚聲器時(shí)，總負載功率中無(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(xiàn)。
圖5. 無(wú)功功率在陶瓷揚聲器總負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，應選擇小的外部電阻，但會(huì )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(lèi)和G類(lèi)放大器。負載端串聯(lián)一個(gè)電阻，可以使功率消耗在負載網(wǎng)絡(luò )，而不是揚聲器。即使放大器效率為100%，功率也會(huì )消耗在串聯(lián)電阻上，而非揚聲器上。
以圖5為例，5kHz時(shí)，提供給負載的總功率為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動(dòng)陶瓷揚聲器，則會(huì )消耗大量功率。
結束語(yǔ)
便攜式設備的小巧、輕薄設計是推動(dòng)小型陶瓷揚聲器應用需求的主要動(dòng)力。陶瓷揚聲器不同于傳統動(dòng)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(dòng)。選擇驅動(dòng)陶瓷揚聲器的放大器時(shí)，必須能夠為復雜負載提供無(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(mǎn)足以上要求，需要采用與傳統AB類(lèi)放大器不同的拓撲結構。更有效的解決方案，如G類(lèi)或D類(lèi)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(lèi)放大器是能夠獲得最佳折衷的解決方案。 |
