??如今的便攜式設備需要更小、更薄、更省電的。對于設計小巧的手機，動圈式揚聲器成為了制造商能否生產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。 ? ? ??驅動陶瓷揚聲器的放大器電路具有與驅動傳統動圈式揚聲器不同的輸出驅動要求。陶瓷揚聲器的結構要求放大器驅動大電容負載，并在較高的頻率下輸出更大的電流，同時保持高輸出電壓。 ? ??陶瓷揚聲器的特性 ? ??陶瓷揚聲器的生產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衡揚聲器的選擇非常重要，也影響著不同生產批次產品音頻特性的可重復性。 ??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）。在音頻頻率范圍內，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 ? ??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揚聲器內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。外加電壓大于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）與頻率的關系曲線。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生高SPL時，在自激頻率處效率最高。 ? ?? ??圖3. 當電壓大于揚聲器額定電壓時輸出信號失真加劇 ? ??驅動陶瓷揚聲器對放大器的要求 ? ??陶瓷揚聲器制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。借助于5V電壓，系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—即所需器件的尺寸。根據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動揚聲器所需的高壓和大負載電流。 ??驅動陶瓷元件需要大電流，同時還要避免出現限流。這是由于高頻時陶瓷揚聲器阻抗非常低。用來驅動陶瓷揚聲器的放大器必須有足夠大的驅動電流，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峰值電壓。 ? ?? ??圖4. 采用MAX9788的典型陶瓷揚聲器應用電路 ? ??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，負電源電壓作用于輸出級。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。 ??揚聲器制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，如果傳輸到揚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生短路。 ??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 ? ??傳統動圈式揚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。如果已知揚聲器電阻，可用歐姆定律計算負載功率（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。 ??由于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：