Audioverstärker Klasse G Piezoelektrische Lautsprecher effektiv ansteuern

Maxim hat mit dem MAX9788 den ersten Monoverstärker in der Klasse G vorgestellt, der die hohen kapazitiven Lasten von piezoelektrischen Lautsprechern ansteuern kann.

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„Einer der wichtigsten Vorteile von piezoelektrischen Lautsprechern aus Keramik ist die flache Ausführung. Um die Größe beizubehalten, sollte der Verstärker ebenfalls kompakt ausgeführt sein. Auch der Wirkungsgrad ist wichtig, da insbesondere bei Handys die Batterieströme reduziert werden müssen. Eine Antwort auf diese Anforderungen ist der MAX9788, der eine neue Technologie verwendet, um effizient und kompakt keramische Lautsprecher anzusteuern“, erklärt Kristy Lypen, Business Manager für Audio im Multimediabereich bei Maxim in Sunnyvale.

Im MAX9788 ist eine Stromversorgung mit invertierender Ladungspumpe integriert, die Spannungen bis zu 16 Vpp von einem Lithium-Ionen-Akku erzeugt. Mit diesem Baustein erreicht man eine Spannungsverdoppelung ohne Spulen. Untergebracht ist der Verstärker im UCSP-Gehäuse (2 mm × 2,5 mm).

Piezoelektrische Lautsprecher

Piezoelektrische Lautsprecher sind Signalgeber, die auf dem piezoelektrischen Prinzip beruhen und nicht mit Hilfe einer Schwingspule Schall erzeugen. Im Gegensatz zu elektrodynamischen Lautsprechern, die eine Bauhöhe von 4 mm oder mehr haben, sind piezoelektrische Bauteile etwa 0,7 mm dick und wiegen weniger als 1 g.

In der Elektronikindustrie sind diese Lautsprecher wenig verbreitet, da gute Verstärkern kaum vorhanden sind. Für einen brauchbaren Schalldruck muss für die Aussteuerung der piezoelektrischen Lautsprecher eine Versorgungsspannung von mehr als 15 Vpp (elektrodynamische Lautsprecher max. 7 Vpp) verfügbar sein. Dazu kommt, dass sich piezoelektrische Lautsprecher elektrisch wie Kondensatoren verhalten, während elektrodynamische Lautsprecher wie Induktivitäten reagieren.

Bisher lieferten bei piezoelektrischen Lautsprechern in der Regel induktive Boostkonverter und Klasse-AB-Verstärker die notwendige Ausgangsspannung. Die dazu notwendige Spule benötigt viel Platz und verursacht zusätzliche Kosten.

Neu entwickelte Ladungspumpe

Der Baustein MAX9788 erzeugt mittels einer Ladungspumpe aus einem Lithium-Ion-Akku Spannungen bis zu 16 Vpp. Lithiumakkus liefern typ. 4,2 V; die untere Entladungsgrenze beträgt 3,0 V. Wird eine invertierende Ladungspumpe verwendet, wie bei der „Direct Drive“-Technik, lässt sich die Spannung verdoppeln.

Die äußere Beschaltung besteht aus zwei kleinen Keramikkondensatoren, die die negative Spannung erzeugen. Spulen sind nicht notwendig. Wird der MAX9788 mit ± 5,5 V gespeist, stehen am Ausgang bis zu ±20 V zur Verfügung.

Der Baustein liefert auch einen höheren Strom. Ein piezoelektrischer Lautsprecher hat die gleiche Impedanzcharakteristik wie ein Kondensator. Daher verringert sich bei zunehmender Frequenz die Impedanz des Lautsprechers. Damit bei hohen Frequenzen die Ausgangsspannung nicht zusammenbricht, wurde die Ladungspumpe wesentlich größer ausgeführt als üblich. Sie liefert einen Dauerstrom bis zu 500 mA. Der Frequenzgang bleibt auch bei hohen Frequenzen konstant.

Klasse G-Verstärker mit Vorteilen

D-Verstärker haben einen hohen Wirkungsgrad, kommen jedoch mit der rein kapazitiven Last der piezoelektrischen Lautsprecher nicht zurecht. Die wenig bekannten Klasse-G-Verstärker kristallisierten sich hier als ideale Lösung heraus.

Die Klasse-G-Verstärker funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie AB-Verstärker, werden jedoch mit mehreren verschiedenen statt mit einer festen Spannung versorgt. Ändert sich die Amplitude des Eingangssignals, wird bei der Klasse-G-Ausführung automatisch die optimale Versorgungsspannung gewählt, um den Spannungsabfall an den Ausgangstransistoren minimal zu halten. Der Wirkungsgrad steigt dadurch wesentlich an. Typische Klasse-G-Verstärker arbeiten mit zwei positiven Spannungen und Masse. Die höhere Spannung wird für große Ausgangssignale verwendet, die niedrigere Spannung wird für kleine Ausgangssignale verwendet.

Große und kleine Ausgangssignale handeln

Der MAX9788 ist vollständig in Klasse G ausgeführt. Darüber hinaus wird die negative Versorgungsspannung der Ladungspumpe (anstelle von unterschiedlich hohen Versorgungsspannungen) verwendet.

Liefert der Verstärker ein kleines Ausgangssignal, nutzt der Verstärker die Batteriespannung und Masse. In dieser Betriebsart arbeitet der Baustein wie ein typischer Klasse-AB-Verstärker. Reicht die Versorgungsspannung bei höheren Pegeln nicht mehr aus, wird zusätzlich die negative Spannung der Ladungspumpe genutzt. Der Verstärker ist dann in der Lage, eine genügend hohe Ausgangsspannungen zu liefern, um die gewünschte maximale Lautstärke bei einem piezoelektrischen Lautsprecher zu erzielen. Muster sind ab sofort erhältlich.

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