中心議題：

• 小巧、輕薄的手機揚聲器設計

解決方案：

• 陶瓷揚聲器解決方案

如今的便攜式設備需要更小、更薄、gengshengdiandedianziyuanqijian。duiyushejixiaoqiaodeshouji，dongquanshiyangshengqichengweilezhizaoshangnengfoushengchanchuchaoboshoujidezhiyueyinsu。zaizheyixuqiudetuidongxia

，taocihuoyadianyangshengqixunsuxingqi

，chengweidongquanshiyangshengqidetidaifangan。taociyangshengqinengyichaobo、緊湊的封裝提供極具競爭力的聲壓電平（SPL），具有取代傳統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別如表1所示。

驅(qu)動(dong)陶(tao)瓷(ci)揚(yang)聲(sheng)器(qi)的(de)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)與(yu)驅(qu)動(dong)傳(chuan)統(tong)動(dong)圈(quan)式(shi)揚(yang)聲(sheng)器(qi)不(bu)同(tong)的(de)輸(shu)出(chu)驅(qu)動(dong)要(yao)求(qiu)。陶(tao)瓷(ci)揚(yang)聲(sheng)器(qi)的(de)結(jie)構(gou)要(yao)求(qiu)放(fang)大(da)器(qi)驅(qu)動(dong)大(da)電(dian)容(rong)負(fu)載(zai)
，並(bing)在(zai)較(jiao)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)下(xia)輸(shu)出(chu)更(geng)大(da)的(de)電(dian)流(liu)，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)高(gao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。

陶瓷揚聲器的特性

陶tao瓷ci揚yang聲sheng器qi的de生sheng產chan工gong藝yi與yu多duo層ceng陶tao瓷ci電dian容rong器qi類lei似si
，與yu動dong圈quan式shi揚yang聲sheng器qi相xiang比bi，這zhe種zhong製zhi造zao技ji術shu可ke以yi使shi揚yang聲sheng器qi廠chang商shang更geng加jia嚴yan格ge地di控kong製zhi揚yang聲sheng器qi的de容rong差cha。嚴yan格ge的de容rong差cha控kong製zhi對dui於yu權quan衡heng揚yang聲sheng器qi的de選xuan擇ze非fei常chang重zhong要yao，也ye影ying響xiang著zhe不bu同tong生sheng產chan批pi次ci產chan品pin音yin頻pin特te性xing的de可ke重zhong複fu性xing。


陶瓷揚聲器在驅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）。在音頻頻率範圍內，陶瓷揚聲器通常呈現容性。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係，與1µF電容相似。阻抗有一個諧振點，在這個頻點揚聲器的發聲效率最高。1kHz頻率附近阻抗曲線的下降表示揚聲器的諧振頻率。


聲壓與頻率及振幅的關係

陶瓷揚聲器兩端的交流電壓導致揚聲器內壓電薄膜變形和振動
；位(wei)移(yi)量(liang)與(yu)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)度(du)成(cheng)正(zheng)比(bi)。壓(ya)電(dian)薄(bo)膜(mo)的(de)振(zhen)動(dong)使(shi)周(zhou)圍(wei)空(kong)氣(qi)流(liu)動(dong)
，從(cong)而(er)發(fa)出(chu)聲(sheng)音(yin)。揚(yang)聲(sheng)器(qi)電(dian)壓(ya)升(sheng)高(gao)時(shi)，壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)變(bian)形(xing)加(jia)劇(ju)
，形(xing)成(cheng)更(geng)大(da)的(de)聲(sheng)壓(ya)，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)了(le)音(yin)量(liang)。

陶瓷揚聲器製造商通常規定了揚聲器的最大驅動電壓
，典型值15VP-P。電壓最大時陶瓷器件的偏移量達到極限。外加電壓大於額定電壓時不會導致聲壓升高，反而增加了輸出信號的失真度。圖3為電壓最大時，陶瓷揚聲器輸出聲壓（SPL）與頻率的關係曲線。通過對比SPL與頻率的關係曲線圖以及阻抗與頻率的關係曲線圖，可以明顯看出壓電揚聲器產生高SPL時，在自激頻率處效率最高。



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驅動陶瓷揚聲器對放大器的要求

陶瓷揚聲器製造商規定電壓取最大值
，即14VP-P至15VP-P時聲壓最大。這樣一來，問題就轉換成如何在單電源供電時產生這些電壓。解決方法之一是用開關穩壓器將電池電壓升至5V。借助於5V電壓，係統設計師可以選擇橋接負載（BTL）的單電源放大器。橋接負載能夠在揚聲器上產生倍壓效果。然而


，用5V單電源為BTL放大器供電時，輸出電壓在理論上隻有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換器將電池電壓調節至5V或更高
，這種方案本身也存在問題—即(ji)所(suo)需(xu)器(qi)件(jian)的(de)尺(chi)寸(cun)。根(gen)據(ju)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)峰(feng)值(zhi)可(ke)以(yi)判(pan)斷(duan)總(zong)體(ti)方(fang)案(an)的(de)尺(chi)寸(cun)，為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)磁(ci)芯(xin)不(bu)會(hui)飽(bao)和(he)，電(dian)感(gan)尺(chi)寸(cun)必(bi)須(xu)足(zu)夠(gou)大(da)。市(shi)場(chang)上(shang)也(ye)可(ke)以(yi)找(zhao)到(dao)大(da)電(dian)流(liu)、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動揚聲器所需的高壓和大負載電流。

qudongtaociyuanjianxuyaodadianliu，tongshihaiyaobimianchuxianxianliu。zheshiyouyugaopinshitaociyangshengqizukangfeichangdi。yonglaiqudongtaociyangshengqidefangdaqibixuyouzugoudadequdongdianliu，dangdalianggaopinchengfenjinruyangshengqishiqijianbuhuijinruxianliumoshi。

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幅度，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。由於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。由於具有高壓電源，G類放大器可承受瞬態峰值電壓。

圖4中的MAX9788采用一個片上電荷泵產生與VDD相反的負電源電壓。當輸出信號需要高壓驅動時，負電源電壓作用於輸出級。MAX9788提供了一種驅動陶瓷揚聲器的優化方案
，比采用AB類放大器和升壓轉換器的傳統方案更高效。

揚聲器製造商通常推薦給陶瓷揚聲器串聯一個固定電阻（RL），如圖4所(suo)示(shi)。當(dang)信(xin)號(hao)包(bao)含(han)大(da)量(liang)高(gao)頻(pin)成(cheng)分(fen)時(shi)，用(yong)該(gai)電(dian)阻(zu)限(xian)製(zhi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)。在(zai)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)，如(ru)果(guo)傳(chuan)輸(shu)到(dao)揚(yang)聲(sheng)器(qi)的(de)音(yin)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)帶(dai)寬(kuan)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)
，也(ye)可(ke)以(yi)不(bu)使(shi)用(yong)這(zhe)個(ge)固(gu)定(ding)電(dian)阻(zu)。對(dui)於(yu)放(fang)大(da)器(qi)來(lai)說(shuo)，使(shi)用(yong)電(dian)阻(zu)可(ke)確(que)保(bao)揚(yang)聲(sheng)器(qi)不(bu)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)。

現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。

陶瓷揚聲器與動圈式揚聲器的效率

傳(chuan)統(tong)動(dong)圈(quan)式(shi)揚(yang)聲(sheng)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)很(hen)容(rong)易(yi)計(ji)算(suan)。音(yin)頻(pin)線(xian)圈(quan)繞(rao)組(zu)可(ke)以(yi)近(jin)似(si)為(wei)固(gu)定(ding)電(dian)阻(zu)與(yu)一(yi)個(ge)大(da)電(dian)感(gan)串(chuan)聯(lian)。如(ru)果(guo)已(yi)知(zhi)揚(yang)聲(sheng)器(qi)電(dian)阻(zu)，可(ke)用(yong)歐(ou)姆(mu)定(ding)律(lv)計(ji)算(suan)負(fu)載(zai)功(gong)率(lv)（P）： P = I²R，或P = V × I。揚聲器的大部分功率被轉變成線圈的熱量。

由於陶瓷揚聲器具有電容特性
，因此消耗功率時產生的熱量不高。陶瓷揚聲器消耗的是“無功”功率。無功功率非常小，與陶瓷器件的損耗因子有關。無功功率產生的熱量很少。計算無功功率時不應直接采用公式P = V × I;¹應采用以下公式計算：

P = （πfCV2） × （cosΦ + DF）

其中：

C = 揚聲器的容值

V = RMS驅動電壓

f = 驅動電壓頻率

cosΦ = 揚聲器電流與電壓間的相角

DF = 揚聲器損耗因子
，DF值很低
，取決於信號頻率及揚聲器的ESR

由於理想的電容器電壓和電流之間的相角為90°
，並且陶瓷揚聲器基本呈容性，cosΦdengyuling，yinci，taociyangshengqimoxingzhongdedianrongbufenbuhuichanshengrenhegonghao。taocicailiaohedianjiezhidezishenquedianzaochengyangshengqidianyaluohouyuyangshengqidianliuyigexiangweijiao，gaixiangweijiaobingfeijingquedengyu90°。理想相移（90°）與實際相移之間的微小差別定義為損耗因子（DF）。

陶瓷揚聲器的DF可以等效為一個小的等效串聯電阻（ESR）與理想電容器串聯。不要將串聯電阻與放大器和揚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：2，3

DF = RESR/XC

舉例來說

，電容為1.6µF
，ESR為1Ω的陶瓷揚聲器，由5VRMS、5kHz信號驅動時
，無功功率為：

P = （π × 5000 × 1.6e-6 × 52） × （0 + 0.05） = 31.4mW
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有功功率

與動圈式揚聲器不同的是
，雖然陶瓷揚聲器本身不消耗有功功率
，但是，在驅動放大器輸出級以及功放和揚聲器之間的外部電阻（RL） （圖4）上會產生熱量。外部電阻值越大
，為放大器分擔的耗散功率越大，它以犧牲低頻響應特性為代價。

驅動10Ω串聯電阻的陶瓷揚聲器時
，總負載功率中無功功率占的比重並不大。大部分功率耗散在外部電阻上，圖5為放大器功率與頻率的關係曲線。


weilehuodejiaohaodedipinxiangying
，yingxuanzexiaodewaibudianzu，danhuiyaoqiufangdaqishuchujihaosangengdadegonglv。fangdaqidexiaolvjuedinglefangdaqishuchujigonglv。weihuodedagonglvfangdaqi，xuyaocaiyonggaoxiaojiejuefangan，ruD類和G類放大器。負載端串聯一個電阻，可以使功率消耗在負載網絡，而不是揚聲器。即使放大器效率為100%，功率也會消耗在串聯電阻上
，而非揚聲器上。

以圖5為例，5kHz時，提供給負載的總功率為629mW。效率為53%的放大器功耗為558mW。放大器功耗決定了實際器件的封裝尺寸
，如果必須用高頻正弦波驅動陶瓷揚聲器


，則會消耗大量功率。

結束語

便攜式設備的小巧
、輕(qing)薄(bo)設(she)計(ji)是(shi)推(tui)動(dong)小(xiao)型(xing)陶(tao)瓷(ci)揚(yang)聲(sheng)器(qi)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)的(de)主(zhu)要(yao)動(dong)力(li)。陶(tao)瓷(ci)揚(yang)聲(sheng)器(qi)不(bu)同(tong)於(yu)傳(chuan)統(tong)動(dong)圈(quan)式(shi)揚(yang)聲(sheng)器(qi)
，應(ying)考(kao)慮(lv)采(cai)用(yong)新(xin)的(de)設(she)計(ji)方(fang)案(an)。陶(tao)瓷(ci)揚(yang)聲(sheng)器(qi)的(de)電(dian)容(rong)特(te)性(xing)要(yao)求(qiu)放(fang)大(da)器(qi)具(ju)有(you)高(gao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)和(he)大(da)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)，從(cong)而(er)在(zai)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)保(bao)持(chi)高(gao)壓(ya)驅(qu)動(dong)。選(xuan)擇(ze)驅(qu)動(dong)陶(tao)瓷(ci)揚(yang)聲(sheng)器(qi)的(de)放(fang)大(da)器(qi)時(shi)，必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)為(wei)複(fu)雜(za)負(fu)載(zai)提(ti)供(gong)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)和(he)有(you)功(gong)功(gong)率(lv)。為(wei)了(le)支(zhi)持(chi)小(xiao)尺(chi)寸(cun)
、低成本方案
，要求放大器具有較高的工作效率。為滿足以上要求，需要采用與傳統AB類放大器不同的拓撲結構。更有效的解決方案，如 G類或D類放大器
，成為極具吸引力的方案
，綜合考慮成本、元件數量等指標，G類放大器是能夠獲得最佳折衷的解決方案。