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[導讀]   引言   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。在這一需求的推動下,陶瓷或壓電揚聲器迅速興起,成

  引言

  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(tǒng)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(qū)別如表1所示。

  

  驅(qū)動陶瓷揚聲器的放大器電路具有與驅(qū)動傳統(tǒng)動圈式揚聲器不同的輸出驅(qū)動要求。陶瓷揚聲器的結(jié)構(gòu)要求放大器驅(qū)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。

  1. 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(quán)衡揚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性。

  陶瓷揚聲器在驅(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),陶瓷揚聲器通常呈現(xiàn)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系,與 1μF 電容相似。阻抗有一個諧振點,在這個頻點揚聲器的發(fā)聲效率最高。1kHz 頻率附近阻抗曲線的下降表示揚聲器的諧振頻率。

  

  圖1 陶瓷揚聲器主要表現(xiàn)為一個大的容性負載

  

  圖2 陶瓷揚聲器阻抗與頻率的關系,與1μF電容非常相似

  2. 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?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(guī)定了揚聲器的最大驅(qū)動電壓,典型值 15VP-P。電壓最大時陶瓷器件的偏移量達到極限。外加電壓大于額定電壓時不會導致聲壓升高,反而加劇了輸出信號的失真度。圖3為電壓最大時,陶瓷揚聲器輸出聲壓(SPL)與頻率的關系曲線。當電壓大于揚聲器額定電壓時輸出信號失真加劇。

  

  圖3 陶瓷揚聲器輸出聲壓(SPL)與頻率的關系曲線

  測試條件:單聲,正向發(fā)射,10cm。

  通過對比 SPL 與頻率的關系曲線圖以及阻抗與頻率的關系曲線圖,可以明顯看出壓電揚聲器產(chǎn)生高 SPL 時,在自激頻率處效率最高。

  3. 驅(qū)動陶瓷揚聲器對放大器的要求

  陶瓷揚聲器制造商規(guī)定電壓取最大值,即 14VP-P 至 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穩(wěn)壓器將電池電壓升至 5V。借助于 5V 電壓,系統(tǒng)設計師可以選擇橋式負載(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,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(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)動揚聲器所需的高壓和大負載電流。

  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聲器阻抗非常低。用來驅(qū)動陶瓷揚聲器的放大器必須有足夠大的驅(qū)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4 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,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(tài)峰值電壓。

  圖4 中的 MAX9788 采用一個片上電荷泵產(chǎn)生與 VDD相反的負電源電壓。當輸出信號需要高壓驅(qū)動時,負電源電壓作用于輸出級。該器件提供了一種驅(qū)動陶瓷揚聲器的優(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。

  揚聲器制造商通常推薦給陶瓷揚聲器串聯(lián)一個固定電阻(RL),如圖 4 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?shù)綋P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(fā)生短路。

  

  圖4 采用MAX9788的典型陶瓷揚聲器應用電路

  現(xiàn)有的陶瓷揚聲器電容約為 1μF。圖 4 中揚聲器的阻抗在 8kHz 時為 20Ω,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。

 

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