陶瓷揚(yáng)聲器系統(tǒng)的放大器設(shè)計(jì)的解決方案

1、陶瓷揚(yáng)聲器系統(tǒng)的放大器設(shè)計(jì)的解決方案如今的便攜式設(shè)備需要更小、更薄、更省電的元器件。對于設(shè)計(jì)小巧的手機(jī)，動(dòng)圈式揚(yáng)聲器成為了創(chuàng)造商能否生產(chǎn)出超薄手機(jī)的制約因素。在這一需求的推進(jìn)下，陶瓷或壓電揚(yáng)聲器快速興起，成為動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的替代計(jì)劃。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(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)分如表1所示。驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的具有與驅(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)大負(fù)載，并在較高的頻率下輸出更大的，同時(shí)保持高輸出。陶瓷揚(yáng)聲器的特性陶瓷揚(yáng)聲器的生產(chǎn)工藝與多層陶瓷類似，與動(dòng)圈式揚(yáng)聲器相比，這種創(chuàng)

2、造技術(shù)可以使揚(yáng)聲器廠商越發(fā)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)聲器的挑選十分重要，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)聲器通常展現(xiàn)容性。揚(yáng)聲器的電容特性打算了其阻抗隨頻率的提高而降低。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。圖1 陶瓷揚(yáng)聲器主要表現(xiàn)為一個(gè)大的容性負(fù)載聲壓與頻率及振幅的關(guān)系陶瓷揚(yáng)聲器兩端的溝通電壓導(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)使周圍空氣流淌，從而發(fā)出聲音。揚(yáng)聲器電壓上升時(shí)，壓電元件變形加劇，形成更

3、大的聲壓，從而增強(qiáng)了音量。陶瓷揚(yáng)聲器創(chuàng)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)致聲壓上升，反而增強(qiáng)了輸出信號(hào)的失真度。驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器對放大器的要求陶瓷揚(yáng)聲器創(chuàng)造商規(guī)定電壓取最大值，即14vp-p"15vp-p時(shí)聲壓最大。這樣一來，問題就轉(zhuǎn)換成如何在單電源供電時(shí)產(chǎn)生這些電壓。解決辦法之一是用開關(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(jì)師可以挑選橋接負(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)，輸出電壓在理論上惟獨(dú)10vp-p擺幅。在該電壓

4、下陶瓷揚(yáng)聲器無法輸出最高的spl。為了得到更高的spl，必需采納更高的電源電壓。另一種做法是采納升壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓調(diào)整至5v或更高，這種計(jì)劃本身也存在問題 即所需器件的尺寸。按照電流峰值可以推斷總體計(jì)劃的尺寸，為了保證磁芯不會(huì)飽和，電感尺寸必需足夠大。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(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)還要避開浮現(xiàn)限流。這是因?yàn)楦哳l時(shí)陶瓷揚(yáng)聲器阻抗十分低。用來驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器必需有足夠大的驅(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2 采納max9788

5、的典型陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用電路圖2為采納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)采納低壓供電；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。因?yàn)間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。因?yàn)榫哂懈邏弘娫?，g類放大器可承受瞬態(tài)峰值電壓。圖2中的max9788采納一個(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)化計(jì)劃，比采納ab類放大器和升壓轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)計(jì)劃更高效。揚(yáng)聲器創(chuàng)造商通常推舉給陶瓷揚(yáng)聲器串聯(lián)一個(gè)固定(rl)，2所示

6、。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，假如傳輸?shù)綋P(yáng)聲器的音頻信號(hào)的頻率響應(yīng)帶寬受到限制，也可以不用法這個(gè)固定電阻。對于放大器來說，用法電阻可確保揚(yáng)聲器不發(fā)生短路?，F(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(shí)為20w，在16khz時(shí)為10w。將來的陶瓷揚(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。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)聲器的效率很簡單計(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)。假如已知揚(yáng)聲器電阻，可用歐姆定律計(jì)算負(fù)載功率(p)： p = i2r，或p = vi。揚(yáng)聲器的大部分功率被改變成線圈的熱量。

7、因?yàn)樘沾蓳P(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“無功”功率。無功功率十分小，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(jì)算無功功率時(shí)不應(yīng)挺直采納公式p = v x i；應(yīng)采納以下公式計(jì)算：p=(pfcv2)(cosj+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，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(hào)頻率及揚(yáng)聲器的esr。因?yàn)楸ж?fù)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(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

8、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90o。抱負(fù)相移(90o)與實(shí)際相移之間的極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)與抱負(fù)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舉例來說，電容為1.6mf，esr為1的陶瓷揚(yáng)聲器，由5vrms、5khz信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，無功功率為：p=(p50001.6e-652)(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)

9、(圖2)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)10w串聯(lián)電阻的陶瓷揚(yáng)聲器時(shí)，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。為了獲得較好的低頻響應(yīng)，應(yīng)挑選小的外部電阻，但會(huì)要求放大器輸出級(jí)耗散更大的功率。放大器的效率打算了放大器輸出級(jí)功率。為獲得大，需要采納高效解決計(jì)劃，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。放大器功耗打算了實(shí)際器件的封裝尺寸，假如必需用高頻正弦波驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器，則會(huì)消耗大量功率。結(jié)語便攜式設(shè)備的小巧、輕薄設(shè)計(jì)是推進(jìn)小型陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用需求的主要?jiǎng)恿?。陶瓷揚(yáng)聲器不同于傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，應(yīng)考慮采納新的設(shè)計(jì)計(jì)劃。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)。挑選驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器時(shí)，必需能夠?yàn)閺?fù)雜