应用G类技术放大器驱动薄型陶瓷压电扬声器

2010-12-17 17:29:42 来源:《半导体器件应用》2010年4月刊 点击:1591
0  引言
如今的便携式设备需要更小、更薄、更省电的电子元器件。在这一需求的推动下,对于设计小巧的手机,则陶瓷压电扬声器迅速兴起。它能以超薄、紧凑的封装提供极具竞争力的声压电平(SPL),具有取代传统的动圈式扬声器的巨大潜力。那为什么动圈式扬声器是产生超薄手机的制约因素呐?这是因为动圈式扬声器存在缺点:宽松的制造公差、效率低、尺寸较厚与所需声腔较大等缺点所致。而薄型陶瓷压电扬声器却具有独特之优势,己成为便携式设备的小巧、轻薄设计需求的主要动力。为此,先对薄型陶瓷压电扬声器的优势作说明。
1  薄型陶瓷压电扬声器的优势
薄型陶瓷压电扬声器的最大优点在于具有很薄的外形尺寸。与动圈式扬声器不同的是,压电扬声器利用压电效应实现电/声转换。传统动圈式扬声器具有4mm或者更高的厚度,而标准的陶瓷压电扬声器的厚度仅为0.7mm,重量也往往小于1克。便携式电子产品的尺寸和重量是设计中需要考虑的重要因素,因此,压电扬声器所具有的小外型尺寸在这类应用中极具有市场和吸引力。
陶瓷扬声器在驱动放大器端的等效阻抗,可以近似为主要由一个大电容组成的RLC电路(图1)。
在音频频率范围内,陶瓷扬声器通常呈现容性。扬声器的电容特性决定了其阻抗随频率的提高而降低。从陶瓷扬声器阻抗随频率的变化关系得知,它与lpF电容相似。阻抗有一个谐振点,在这个频点扬声器的发声效率最高。而在声压与频率及振幅的关系上,陶瓷扬声器两端的交流电压导致扬声器内压电薄膜变形和振动;位移量与输入信号的幅度成正比。压电薄膜的振动使周围空气流动,从而发出声音。扬声器电压升高时,压电元件变形加剧,形成更大的声压,从而增加了音量。陶瓷扬声器制造商通常规定了扬声器的最大驱动电压,典型值15VP-P。电压最大时陶瓷器件的偏移量达到极限。外加电压大于额定电压时不会导致声压升高,反而加剧了输出信号的失真度。通过对比SPL与频率的关系以及阻抗与频率的关系,可以明显知道压电扬声器产生高SPL时,在自激频率处效率最高。
2  驱动薄型陶瓷压电扬声器有什么难点
然而尽管薄型陶瓷压电扬声器在尺寸上具有明显的优势,但目前陶瓷压电扬声器并没有得到非常的广泛应用,其主要障碍就在于陶瓷压电扬声器应用缺少合适的放大器。那么究竟驱动薄型陶瓷压电扬声器在设计上有什么难点呐?这需要从薄型陶瓷扬声器与众不同之处说起。
薄型陶瓷扬声器要求具有较高的驱动电压,以提供令人满意的声压等级。而手持设备中常用到的扬声器仅能承受最大7VP-P的电压,故陶瓷压电扬声器产生相同的声压等级则需要提供两倍以上的驱动电压(最大15VP-P)。而高驱动电压的需求给便携式产品的扬声器放大器带来难题,因为这些放大器往往无法提供这么高的驱动电压。另外,陶瓷压电扬声器具有与陶瓷电容相类似的电气特性,而动圈式扬声器从电气特性上则更像一个电感。当频率升高时,压电扬声器所表现出的电容特性将需要更大的驱动电流,而常用的扬声器所需的电流将随着频率的升高而减小。这一基本特性上的区别给放大器的设计带来了极大的挑战。
为应对该挑战,应用G类技术的放大器是驱动薄型陶瓷压电扬声器和耳机的一种理想的应对选择。如今己有G类技术放大器和带G类耳机放大器的多媒体编码解码器2种可选择方案。
带G类耳机放大器的多媒体编码解码器,可为便携式媒体播放器和多媒体手持设备提供较长电池使用寿命,同时减少对外部元件的需求。采用参考地耳机输出,因此不必使用大体积DC隔离电容。该类器件采用小型化0.55mm高40pinQFN封装,非常适合于体积小巧的便携式电子设备。其G类架构通过双输入电平转换智能电荷泵推动耳机放大器实现电荷泵产生正负电源,为耳机输出提供参考地。电荷泵自动控制功能可使耳机在播放工作状态下一直保持最优电源效率,而不需要操作人员或者软件干预。带参考地的G类耳机放大器还可在上电、断电、消音以及去除消音时消除多种爆破噪声源,提供高质量音频性能以满足当今消费者的需求。上述如WM8900型器件是一典型代表。
而对于驱动簿型陶瓷/压电扬声器而言,采用反向电荷泵的G类技术放大器,是非常适合提供驱动陶瓷/压电扬声器所需的高摆幅输出电压,即可构建高效而紧凑的陶瓷压电扬声器供电方案。值此本文以此为重点对驱动薄型陶瓷压电扬声器的方案作分析说明。
3  采用G类技术放大器可构建超薄陶瓷压电扬声器的原因
在G类技术放大器推出之前,压电扬声器的放大器通常采用基于电感的升压转换器和AB类放大器,以产生必要的输出电压。这类解决方案中所用到的电感需要占据很大的电路板空间,增加了成本以及最终方案所占用的空间。AB类放大器的效率比较低,也增大了电池功耗。
基于这样的原因,G类技术放大器就应运而生。它能产生足够高的电压以驱动压电扬声器。
何谓G类技术放大器?G类放大器的工作原理和AB类放大器基本相同,但G类放大器采用多个电源电压替代单个固定电压。随着输入信号幅值的变化,G类放大器自动选择适当的电源电压,降低输出晶体管上的压降,从而大大提高了效率。典型的G类放大器正常工作需要提供两路正电源Vcc和地Vss(见图2所示)。
该G类放大器有两个电源电压,高压和低压。当输出信号较小时采用低压供电;当输出信号需要较高的电压摆幅时,将高压切换到输出级供电。由于G类放大器具有低压电源,因此,当输出信号较小时,效率比AB类放大器高。由于具有高压电源,G类放大器可承受瞬态峰值电压。若Vcc为高电压则用于为大信号输出,而若Vcc为低电压为小信号输出。据此,只要从G类技术放大器以下三大特点的说明就可迎刃而解了。
其一,G类技术放大器采用了反向电荷泵技术。可以在单节Li+电池供电的条件下,提供高达16VP-P的电压(见图3所示)输出驱动能力,仅需最少的外部元件。该电荷泵无需使用电感即可实现高效的倍压。器件采用小尺寸、2mm×2.5mm UCSP封装,其放大器是理想用于下一代超小型电子设备。图3是G类技术放大器典型应用电路。
该器件采用全差分输入和输出电路,具有完整的咔嗒/噼噗声抑制电路、关断控制电路和软起动电路。通常情况下,Li+电池最大输出4.2V电压,而随着电池的放电,电压将降低到3.0V。采用与Direct Drive技术相类似的反向电荷泵技术,可以在不使用任何电感的前提下实现电源倍压。该器件仅需两个小尺寸而且很便宜的外部陶瓷电容,即可产生反向电压。芯片内置另一路负电压输出,因此,内部放大器可以工作在高达±5.5V的双电源下,输出将近20VP-P的电压。故典型应用中,放大器可以由5V的稳压电源供电或直接由Li+电池供电,两种情况下都可产生足够高的电压以驱动压电扬声器。由此可见G类技术放大器是一种新型电荷泵解决方案。
其二,在高频和最佳音质前提下,保持平坦的频率响应。它不仅能够产生陶瓷扬声器所需要的电压,还能提供足够的驱动电流。陶瓷扬声器具有与电容相仿的阻抗特性。因此,频率越高,扬声器的阻抗就越低。为保证高频时电荷泵能在多数负载电流下不出现振荡,它采用比DirectDrive放大器更大的电荷泵。该电荷泵可输出高达500mA的连续电流,可使放大器能够在高频和保证最佳音质前提下,保持平坦的频率响应。
在此特别需要指出的是何谓DirectDrive技术?采用了DirectDrive技术的放大器允许器件工作在单电源下,无需大尺寸隔直电容(通常采用大容量电解电容)。采用DirectDrive技术后,放大器的频响可向下扩展至直流,从而改善了低频时的总谐波失真性能,即改善低音响应。因DirectDrive技术消除了隔直电容所构成的高通滤波器。由于隔直电容往往很大,设计人员不得不使用不够理想的电容,从而牺牲低频响应。而DirectDrlVe放大器则无需进行任何折衷处理。图4(a)为DirectDrive技术的放大器输出示意图。其Direc Drive技术优点是:可节省成本和电路板空间一成本和空间上的优势对于竞争激烈的便携式音频市场来说是十分重要的。
从图4(a)可知Direc Drive技术优点是:它无需大尺寸隔直电容,节省了成本和空间,在3.3V单电源供电下可提供超过四倍的输出功率,并可改善音质,使咔嗒声/噼噗声抑制[图4(b)所示],上电和关断过程中输出直流电平保持为0V。尤其是地噪声被抑制,即线路输出配置模式下,共模输入可以抑制地噪声,其低音得到提升,即正反馈以及外部元件可为输出提供用户设定的低音提升。可节省成本和电路板空间的优势对于竞争激烈的便携式音频市场来说是十分重要的。
从图4(b)可知,DirectDrive技术消除了咔嗒声和噼噗声的主要音源。
图3中通常给陶瓷扬声器串联一个固定电阻(RL)。当信号包含大量高频成分时,用该电阻限制放大器的电流输出。在某些应用中,如果传输到扬声器的音频信号的频率响应带宽受到限制,也可以不使用这个固定电阻。对于放大器来说,使用电阻可确保扬声器不发生短路。
现有的陶瓷扬声器电容约为11μF。图3中扬声器的阻抗在8kHz时为20Ω,在16kHz时为10Ω。未来的陶瓷扬声器可能具有更大电容,使放大器在相同频率能够提供更大的电流。
其三,独特的G类技术。它弥补了D类技术的不足,采用10V放大器替代手持设备中常见的5V放大器,因此,有必要保持高效率以延长电池使用寿命。虽然D类技术具有很高的效率并且常被用于一些手持设备,但由于陶瓷扬声器为纯容性负载,从而使D类技术不能兼容于陶瓷扬声器。因设计的挑战显而易见:需要提供一些新的功能。G类放大器这一相对陌生的技术,却可以很好的满足这一应用的要求。
其独特的G类技术,实质是利用电荷泵的反向输出电压替代高压和低压正电源。当输出小信号时,G类放大器采用电池电压和地作为其输入电源。在这一模式下,器件像典型的5V、AB类放大器一样工作。当输出信号超过电源电压时,放大器将切换到由电池和反向电荷泵输出供电。放大器可以提供足够的输出信号,以驱动陶瓷扬声器输出最大声压等级。   
由此可见,采用反向电荷泵和G类技术放大器,非常适合提供驱动陶瓷/压电扬声器所需的高摆幅输出电压。可构建高效而紧凑的陶瓷压电扬声器供电方案。比较理想的适用于下一代超薄电子产品之中。而MAX9788型芯片是反向电荷泵的G类技术放大器的一种理现选择。器件采用小尺寸、2mm×2.5mm UCSP封装,其放大器是理想用于下一代超小型电子设备。
4  关于薄型陶瓷压电扬声器的效率
由于陶瓷扬声器具有电容特性,因此消耗功率时产生的热量不高。陶瓷扬声器消耗的是“无功”功率。无功功率非常小,如电容为l.6μF,ESR为lΩ的陶瓷扬声器,由5VRMS、5kHz信号驱动时,则无功功率由下列公式计算出为:
P: =(Π×5000×1.6e-6×52) ×(0+0.05)=31.4mW
而薄型陶瓷压电扬声器有功功率
驱动10Ω串联电阻的陶瓷扬声器时,总负载功率中无功功率占的比重并不大。大部分功率耗散在外部电阻上。为了获得较好的低频响应,应选择小的外部电阻,但会要求放大器输出级耗散更大的功率。放大器的效率决定了放大器输出级功率。为获得大功率放大器,需要采用G类放大器。负载端串联一个电阻,可以使功率消耗在负载网络,而不是扬声器。即使放大器效率为100%,功率也会消耗在串联电阻上,而非扬声器上。
5  结语
由以上分析可见,此G类放大器,是极具吸引力的方案,综合考虑成本、元件数量等指标,它是驱动薄型陶瓷压电扬声器获得最佳的解决方案。
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