資料介紹
??如今的便攜式設(shè)備需要更小、更薄、更省電的。對于設(shè)計小巧的手機(jī),動圈式揚(yáng)聲器成為了制造商能否生產(chǎn)出超薄手機(jī)的制約因素。在這一需求的推動下,陶瓷或壓電揚(yáng)聲器迅速興起,成為動圈式揚(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爭力的聲壓電平(SPL),具有取代傳統(tǒng)的動圈式揚(yáng)聲器的巨大潛力。動圈式揚(yáng)聲器和陶瓷揚(yáng)聲器的區(qū)別如表1所示。
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??驅(qū)動陶瓷揚(yáng)聲器的放大器電路具有與驅(qū)動傳統(tǒng)動圈式揚(yáng)聲器不同的輸出驅(qū)動要求。陶瓷揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)要求放大器驅(qū)動大電容負(fù)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。
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??陶瓷揚(yáng)聲器的特性
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??陶瓷揚(yáng)聲器的生產(chǎn)工藝與多層陶瓷電容器類似,與動圈式揚(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(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。阻抗有一個諧振點(diǎn),在這個頻點(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。
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??圖1. 陶瓷揚(yáng)聲器主要表現(xiàn)為一個大的容性負(fù)載
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??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
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??聲壓與頻率及振幅的關(guān)系
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??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;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(yáng)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(yáng)聲器制造商通常規(guī)定了揚(yáng)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(dá)到極限。外加電壓大于額定電壓時不會導(dǎo)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,陶瓷揚(yáng)聲器輸出聲壓(SPL)與頻率的關(guān)系曲線。通過對比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,在自激頻率處效率最高。
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??圖3. 當(dāng)電壓大于揚(yáng)聲器額定電壓時輸出信號失真加劇
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??驅(qū)動陶瓷揚(yáng)聲器對放大器的要求
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??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(guān)穩(wěn)壓器將電池電壓升至5V。借助于5V電壓,系統(tǒng)設(shè)計師可以選擇橋接負(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,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(yáng)聲器所需的高壓和大負(fù)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(yáng)聲器阻抗非常低。用來驅(qū)動陶瓷揚(yáng)聲器的放大器必須有足夠大的驅(qū)動電流,當(dāng)大量高頻成分進(jìn)入揚(yáng)聲器時器件不會進(jìn)入限流模式。
??圖4為采用MAX9788 G類放大器的應(yīng)用電路。G類放大器有兩個電源電壓幅度,高壓和低壓。當(dāng)輸出信號較小時采用低壓供電;當(dāng)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(dāng)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。
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??圖4. 采用MAX9788的典型陶瓷揚(yáng)聲器應(yīng)用電路
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??圖4中的MAX9788采用一個片上電荷泵產(chǎn)生與VDD相反的負(fù)電源電壓。當(dāng)輸出信號需要高壓驅(qū)動時,負(fù)電源電壓作用于輸出級。MAX9788提供了一種驅(qū)動陶瓷揚(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)一個固定電阻(RL),如圖4所示。當(dāng)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(yīng)用中,如果傳輸?shù)綋P(yáng)聲器的音頻信號的頻率響應(yīng)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(yáng)聲器不發(fā)生短路。
??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時為20Ω,在16kHz時為10Ω。未來的陶瓷揚(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。
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??陶瓷揚(yáng)聲器與動圈式揚(yáng)聲器的效率
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??傳統(tǒng)動圈式揚(yáng)聲器的效率很容易計算。音頻線圈繞組可以近似為固定電阻與一個大電感串聯(lián)。如果已知揚(yáng)聲器電阻,可用歐姆定律計算負(fù)載功率(P): P = I2R,或P = V × I。揚(yáng)聲器的大部分功率被轉(zhuǎn)變成線圈的熱量。
??由于陶瓷揚(yáng)聲器具有電容特性,因此消耗功率時產(chǎn)生的熱量不高。陶瓷揚(yáng)聲器消耗的是“無功”功率。無功功率非常小,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。計算無功功率時不應(yīng)直接采用公式P = V × I;1應(yīng)采用以下公式計算:
??P = (πfCV2) × (cosΦ + DF)
??其中:
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