驱动陶瓷扬声器的放大器设计考量

　　今天的便携式设备推动了对更小、更薄以及更高功效电子器件的需求。现在蜂窝电话的外形已经变得相当纤薄，以至于传统的电动式扬声器已经成为制造商将手机能制造成多薄的限制因素。陶瓷或压电扬声器正在迅速成为电动式扬声器的可行替代器件。这些陶瓷扬声器(驱动器)可以以纤薄而小巧的封装提供极具竞争力的声压水平(SPL)，它们极有可能替代传统的音圈电动式扬声器。

　　驱动陶瓷扬声器的放大器电路与驱动传统电动式扬声器的放大器电路相比有不同的输出驱动要求。陶瓷扬声器的结构要求放大器能够驱动较大的容性负载，能在高频时提供更大电流，同时还要能保持较高的输出电压。

　　陶瓷扬声器的特性

　　陶瓷扬声器制造商使用的技术非常类似于制造多层陶瓷电容所用的技术。与电动式扬声器相比，这种制造技术能使扬声器制造商更严格地控制扬声器的容差。在要统一扬声器并取得一致的声学特性时，严格的结构容差非常重要。

　　从驱动放大器可以看出，陶瓷扬声器的阻抗可以建模为一个RLC电路，它带有一个大电容，这个大电容是该模型中的主要部件，如图1所示。对大部分音频频率来说，陶瓷扬声器主要表现为容性。扬声器的这种容性特征表示其阻抗将随频率的增加而降低。图2给出了与1uF电容相似的陶瓷扬声器阻抗与频率特性。

图1：陶瓷扬声器的模型。

图2：陶瓷扬声器和1uF电容的阻抗与频率特性。

　　上述阻抗同样有个谐振点。扬声器在谐振点频率之上发声效率最高。在1kHz处的阻抗下降表示了扬声器的谐振频率。

　　声压与频率和幅度的关系

　　在陶瓷扬声器的两端施加一个交替变化的电压可以使扬声器内部的压电薄膜变形和振动，其位移距离与输入信号成正比。振动着的压电薄膜推动周围的空气，从而产生声音。提高扬声器上的电压可以增加压电元件偏转幅度，从而产生更大的声压，由此可以提高音量。

　　陶瓷扬声器制造商一般用最大端电压来标示他们的扬声器，一般为15Vp-p左右。表示陶瓷器件在这个最大电压下达到最大伸展。如果施加比额定电压更高的电压不会产生更高的声压，却会增加输出信号的失真度，见图3。

图3：陶瓷扬声器的SPL与频率的关系。

　　通过比较SPL与频率以及阻抗与频率的曲线图可以看出，压电扬声器在自谐振频率以上产生大SPL的效率最高。

　　放大器要求

　　陶瓷扬声器制造商通常规定在14到15Vp-p的最大电压点产生最大的声压值。现在问题就变成如何从单电池供电电压中产生这些电压。

　　一种方法是使用开关稳压器将电池电压提升到5V。有了稳定的5V电压后，系统设计师可以选择一种需要桥接负载(BTL)的单电源放大器。通过桥接方式连接负载可以自动使扬声器看到的电压翻倍。

　　但采用5V的BTL放大器理论上只能让输出摆幅上升到10Vp-p。这个电压还不足以让陶瓷扬声器输出最高的SPL值。为了产生更高的声压值，电源电压需要调整到更高。

　　另一种方法是使用升压转换器将电池电压升高到5V或者更高，但这样做也有它自身的问题，比如元器件尺寸问题。大峰值电感电流会制约总体解决方案的大小，因为最终的电感体积必须做得物理体积很大才能让磁芯不饱和。虽然大电流小体积的电感市场上也有，但磁芯的额定饱和电流可能不够大，无法满足高频时大电压驱动扬声器所需的负载电流要求。

　　因为陶瓷扬声器在高频时具有非常低的阻抗，所以在驱动这个陶瓷器件时要兼顾大电流驱动和避免限流。

　　选用来驱动陶瓷扬声器的放大器必须具有足够大的驱动电流，以避免在驱动有大量高频分量的信号时驱动扬声器进入限流模式。

　　图4是一种采用G类放大器的应用电路。G类放大器有多个可用的电压轨：一个高电压和一个低电压。低电压轨在输出小信号时使用，当输出信号要求更高的电压摆幅时，高电压轨就被切换到输出级电路。

图4：典型的陶瓷扬声器应用电路。