小巧、輕薄設(shè)計(jì)才能推動(dòng)便攜小型陶瓷揚(yáng)聲器發(fā)展

　　引言

　　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(duì)于設(shè)計(jì)小巧的手機(jī)，動(dòng)圈式揚(yáng)聲器成為制造商能否生產(chǎn)出超薄手機(jī)的制約因素。在這一需求的推動(dòng)下，陶瓷或壓電揚(yáng)聲器迅速興起，成為動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)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)別如表1所示。

　　驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器電路具有與驅(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)大電容負(fù)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。

　　1. 陶瓷揚(yáng)聲器的特性

　　陶瓷揚(yáng)聲器的生產(chǎn)工藝與多層陶瓷電容器類似，與動(dòng)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(duì)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(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。圖2為陶瓷揚(yáng)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(yáng)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(yáng)聲器的諧振頻率。

　　圖1 陶瓷揚(yáng)聲器主要表現(xiàn)為一個(gè)大的容性負(fù)載

　　圖2 陶瓷揚(yáng)聲器阻抗與頻率的關(guān)系，與1μF電容非常相似

　　2. 聲壓與頻率及振幅的關(guān)系

　　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(dòng)；位移量與輸入信號(hào)的幅度成正比。壓電薄膜的振動(dòng)使周圍空氣流動(dòng)，從而發(fā)出聲音。揚(yáng)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(yáng)聲器制造商通常規(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)致聲壓升高，反而加劇了輸出信號(hào)的失真度。圖3為電壓最大時(shí)，陶瓷揚(yáng)聲器輸出聲壓（SPL）與頻率的關(guān)系曲線。當(dāng)電壓大于揚(yáng)聲器額定電壓時(shí)輸出信號(hào)失真加劇。

　　圖3 陶瓷揚(yáng)聲器輸出聲壓（SPL）與頻率的關(guān)系曲線

　　測(cè)試條件：?jiǎn)温暎虬l(fā)射，10cm。

　　通過(guò)對(duì)比 SPL 與頻率的關(guān)系曲線圖以及阻抗與頻率的關(guān)系曲線圖，可以明顯看出壓電揚(yáng)聲器產(chǎn)生高 SPL 時(shí)，在自激頻率處效率最高。

　　3. 驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器對(duì)放大器的要求

　　陶瓷揚(yáng)聲器制造商規(guī)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(zhuǎn)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(wěn)壓器將電池電壓升至 5V。借助于 5V 電壓，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以選擇橋式負(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)，輸出電壓在理論上只有 10VP-P 擺幅。在該電壓下陶瓷揚(yáng)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(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(wèn)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(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)還要避免出現(xiàn)限流。這是由于高頻時(shí)陶瓷揚(yáng)聲器阻抗非常低。用來(lái)驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的放大器必須有足夠大的驅(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4 為采用 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，高壓和低壓。當(dāng)輸出信號(hào)較小時(shí)采用低壓供電；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。由于 G 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。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(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)。該器件提供了一種驅(qū)動(dòng)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(gè)固定電阻（RL），如圖 4 所示。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，如果傳輸?shù)綋P(yáng)聲器的音頻信號(hào)的頻率響應(yīng)帶寬受到限制，也可以不使用這個(gè)固定電阻。對(duì)于放大器來(lái)說(shuō)，使用電阻可確保揚(yáng)聲器不發(fā)生短路。

　　圖4 采用MAX9788的典型陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用電路

　　現(xiàn)有的陶瓷揚(yáng)聲器電容約為 1μF。圖 4 中揚(yáng)聲器的阻抗在 8kHz 時(shí)為 20Ω，在 16kHz 時(shí)為 10Ω。未來(lái)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。