為了增加壓電蜂鳴器或超聲波換能器的聲輸出，已經提出了許多不同的想法。其中大多數涉及相當復雜的電路，從而增加了解決方案的總成本;例如將低壓邏輯電源升壓到更高的電壓或使用H橋拓撲。

相比之下，該設計理念展示了如何增加壓電換能器的聲輸出，同時最大限度地減少零件數量和成本。在研究新方法之前，讓我們先看看一些最常用的壓電聲學設計及其缺點。

最簡單的壓電驅動電路由傳感器和開關晶體管組成(圖 1)。傳感器兩端的電壓不能大于電源電壓，這對聲輸出設置了上限。電阻器 R2 用于對傳感器的電容進行放電。相對于換能器的諧振頻率周期，RC 時間常數應該較短。低電阻值會降低電效率，同時抑制換能器的機械(聲學)諧振，這當然會降低聲學效率。

圖 1雖然此壓電驅動電路很簡單，但效率非常低。

該電路的一個常見增強功能是用電感器代替 R2，如圖 2所示。

圖 2用電感器替代 R2 可提高壓電驅動器的輸出和效率。

通常，電感值被選擇為在換能器的聲諧振處與換能器(蜂鳴器)的電容產生電諧振。這種方法比并聯電阻方法可以提供更多的聲音輸出，但仍有很大的改進空間。在最好的情況下，傳感器上的峰峰值電壓可能達到 40Vppk，而對于 5V 電源來說，20Vppk 更為典型。

這是因為晶體管集電極-基極結在由電感器和換能器電容形成的并聯諧振電路的負擺幅上正向偏置，從而鉗位電壓擺幅，限制聲音輸出。

添加二極管可將 CE 結(或者如果使用 FET，則為體二極管結)與該負擺幅去耦，從而在傳感器上提供更大的電壓擺幅，從而增加聲輸出(圖 3)。盡管二極管的正向電壓確實降低了所施加的電源電壓，但增加的諧振電壓足以彌補這一小損失。

圖3使用二極管可以消除電路的負擺幅。

為了實現任何進一步的改進，我們需要考慮到在這個小系統(tǒng)中實際上有兩種共振在起作用：

1. 換能器的聲學共振、機械共振和空腔共振適用

2. 電感和換能器電容的電諧振

電諧振頻率不必與聲諧振頻率相同。事實上，如果大約是聲諧振的 2 倍，換能器上的峰值電壓就會大大增加。

圖 4對此進行了演示，其中波形是使用以下電路參數得出的：

1. 電源=5VDC

2. L1=3.2mHy

3. C(壓電) = 2nF

4. 信號源頻率=PZ1，諧振頻率=40KHz

5. 調整信號源占空比以消除開啟時的大電流尖峰

請注意，第 5 項指出了這個新解決方案中潛藏的一個必須解決的潛在問題。如果信號源可以在傳感器電壓變?yōu)檎岛蟠蜷_晶體管，則會出現一個大而窄的電流尖峰，這會降低電效率并可能隨著時間的推移而降低晶體管的性能。增加占空比以使晶體管導通，同時諧振電壓略為負，從而消除了該尖峰。

整理完所有內容后，讓我們使用方便的四跡線智能示波器來看看我們的電路在現實生活中的表現如何：

· 黃色 = 驅動電壓，~48% 占空比，5Vppk。 40KHz 時

· 紫色 = 傳感器兩端的電諧振電壓，92Vppk。 80KHz時

· 綠色 = 晶體管發(fā)射極電流，40KHz 時峰值約為 80mA

· 藍色 = 換能器的聲輸出，使用 MEMS 麥克風測量

圖 4以下是該電路在現實生活中的表現。

傳感器上的高峰值電壓是通過使用比在 40KHz 諧振的電感器更小的電感器來實現的，從而允許電流以大約兩倍的速度上升，在本例中，提供兩倍的電流來“充電”電感器的磁場。

峰值電壓類似于推動秋千，其中可用的峰值電壓越高，提供的推動力就越強。在該系統(tǒng)中，這轉化為換能器表面的更大位移，從而產生更大的聲輸出。

本設計理念并不是關于諧振電路的詳盡論述。相反，它演示了一種程序，通過該程序，任何諧振壓電換能器或蜂鳴器都可以通過非常簡單、低成本的電路驅動到高聲輸出。

該過程可以總結如下：

1. 確定換能器的聲諧振頻率

2. 以相同頻率創(chuàng)建驅動脈沖串，從 50% 占空比開始

3. 根據需要調整占空比以消除開啟時的電流尖峰

4. 確定傳感器的電容值

5. 選擇一個電感值，其電諧振頻率約為聲諧振的兩倍。

由于換能器由兩個或多個潛在諧振元件組成，因此在模擬中復制此處呈現的聲學/電路可能很困難。這些包括換能器元件的機械諧振、換能器外殼的聲諧振(參考亥姆霍茲諧振)，當然還有換能器電容與外部電感的電諧振。

來自換能器端口或隔膜的輻射產生的聲學負載給模擬增加了另一個困難。該電路的簡單電氣模擬在傳感器上產生了 240Vppk，這是實際電路中產生的兩倍多。與模擬結果相比，聲學負載可能代表了該系統(tǒng)中降低峰值換能器電壓的大部分損耗。

通過使用這一簡單的過程，人們可以輕松地以最少的時間和精力最大化傳感器輸出。