1、前言
在音頻電路中，無(wú)源元件被用于設(shè)定電路增益，提供偏置和電源抑制，實(shí)現(xiàn)級(jí)間直流隔離等等功能。由于便攜式音頻設(shè)備的局限性，其空間、高度和成本都受到了嚴(yán)格限制，迫使設(shè)計(jì)者必須采用小尺寸、低截面和低成本的無(wú)源元件。但在使用之前，有必要對(duì)這些器件的音頻效果作一番研究，拙劣的元件選擇會(huì)顯著降低系統(tǒng)的性能。
一些設(shè)計(jì)得以為電阻和電容對(duì)音質(zhì)沒(méi)有什么大的影響，但實(shí)際情況是，很多在音頻信號(hào)通道上經(jīng)常使用的無(wú)源元件所固有的非線性特性，會(huì)帶嚴(yán)重的總諧波失真（THD）。
2、非線性之源
電容和電阻都存在一種所謂的電壓系數(shù)效應(yīng)，即，當(dāng)元件兩端的電壓改變時(shí)，元件的物理特性會(huì)發(fā)生某種程度的改變，其參數(shù)值也隨之改變。例如，當(dāng)一個(gè)兩端無(wú)電壓時(shí)阻值為1.00kΩ的電阻被加以10V電壓時(shí)，其實(shí)際電阻值變?yōu)?.01kΩ。這種效應(yīng)隨元件的類型、結(jié)構(gòu)和化學(xué)類型（對(duì)于電容）的不同而有很大差異。有些制造商可以提供電壓系數(shù)信息，以曲線方式，給出了電容變化百分比對(duì)應(yīng)額定電壓變化百分比的關(guān)系。
現(xiàn)代薄膜電阻的電壓系數(shù)已非常好，實(shí)驗(yàn)室條件下基本上測(cè)不到。然而，電容器則差強(qiáng)人意，會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響：
*電壓系數(shù)；
*介電吸收（DA）：類似于記憶效應(yīng)，表現(xiàn)為已被放電的電容仍持有一些電荷；
*等效串聯(lián)電阻（ESR）：和頻率有關(guān)，當(dāng)串聯(lián)耦合電容驅(qū)動(dòng)低阻抗耳機(jī)或揚(yáng)聲器時(shí)會(huì)限制功率輸出；
*顫噪效應(yīng)：一些電容有顯著的壓電效應(yīng)，物理應(yīng)力或變形會(huì)在電容兩端產(chǎn)生電壓；
*誤差較大：多數(shù)大容量電容（幾微法或更大）通常沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定精度。而電阻就很容易廉價(jià)地做到1%或2%的容差。
下面就提供的一種測(cè)試方法進(jìn)行討論，亦包括一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試電路和現(xiàn)成的音頻測(cè)試設(shè)備，以便評(píng)價(jià)音頻信號(hào)通道上的電容器所帶來(lái)的不利影響。其目的不是對(duì)某種尺寸和額定電壓或元件類型進(jìn)行取舍判定，只是要讓有關(guān)人士了解這種現(xiàn)象，展示出一些有代表性的結(jié)果，并提供一種測(cè)試手段以便進(jìn)行合理的比較和判斷。
3、關(guān)于測(cè)試方法
應(yīng)該說(shuō)，非線性交流響應(yīng)很容易在電容上觀察到。對(duì)于模擬音頻的頻率響應(yīng)在大多數(shù)電路模塊中可分為高通、低通和帶通濾波器，這些濾波器的非線性對(duì)于音頻質(zhì)量有顯著影響。
從一個(gè)簡(jiǎn)單的RC高通濾波器分析起。當(dāng)頻率遠(yuǎn)高于-3dB截止頻率時(shí)，電容器的阻抗低于電阻。當(dāng)有高頻交流信號(hào)通過(guò)時(shí)，只在電容器兩端產(chǎn)生很小的電壓，因此電壓系數(shù)所造成的變化應(yīng)該很小。不過(guò)，信號(hào)電流流過(guò)電容時(shí)，會(huì)在電容器的ESR上產(chǎn)生電壓。ESR的非線性達(dá)到一定程度就會(huì)使非線性失真惡化。當(dāng)接近-3dB截止頻率時(shí)，電容和電阻的阻抗值達(dá)到同一數(shù)量級(jí)。結(jié)果是在電容器兩端產(chǎn)生明顯的交流電壓，同時(shí)又只只對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生很小的衰減。此時(shí)，電壓系數(shù)效應(yīng)接近其峰值。
本測(cè)試將聚焦于-3dB截止點(diǎn)的總諧波失真（THD），突顯無(wú)源元件的非理想特性--它主要來(lái)源于其電壓系數(shù)效應(yīng)。其測(cè)試電路包括一個(gè)-3dB截止頻率為1kHz的高通濾波器和一個(gè)音頻分析器（Audio Precision System One），以便觀察在更換不同結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和不同類型電容時(shí)的總諧波失真和噪聲（THD+N）惡化情況�？紤]到可選電容類型的多樣性，選擇1μF容值的電容，它和15Ω的負(fù)載，輸入和輸出有相同的直流電位。
（1）聚酯電容和參考基線
圖2中的THD+N和頻率的關(guān)系曲線給出了測(cè)試裝置分辨率的上限（即圖2中測(cè)量上限），以及一種25V穿孔式聚酯電容器（在便攜設(shè)備中不常用）的最小影響。由電壓系數(shù)引起的非線性失真也不是很明顯。注意到在頻率低于1kHz時(shí)THD開始增加，但實(shí)際上輸出信號(hào)的頻率低于1kHz時(shí)也下降了，因而降低了由分析儀所記錄的信號(hào)-噪聲（加失真）比率。關(guān)鍵區(qū)域在于1kHz以上，在此區(qū)間聚酯電容的表現(xiàn)良好--僅能測(cè)到相對(duì)于參考基線輕微的惡化。
（2）便攜設(shè)備中的鉭電解質(zhì)
便攜設(shè)備中�？梢钥吹姐g電容，通常用作隔直電容，特別是要求電容值大于幾微法時(shí)。為此對(duì)三種常見的表現(xiàn)安裝型鉭電容器（即A外形、B外形、C外形）和傳統(tǒng)的穿孔"浸漬"型鉭電容器（實(shí)驗(yàn)室外很常見）作THD+N和頻率的關(guān)系測(cè)試比較（即不同鉭電容組成的無(wú)源1kHz高通濾波器的隨頻率變化的對(duì)比測(cè)試）；它們同樣具有1μF的容值，只是物理尺寸（外殼尺寸）和額定電壓不同，見表1所示。通過(guò)測(cè)試它們的THD和頻率的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)A外形的THD+N最小，而C外形的THD+N較大，B外形的THD+N更大，穿孔"浸漬"鉭電容的THD+N最大。注意在測(cè)試中電容器兩央沒(méi)有施加直流偏壓。
（3）陶瓷電解質(zhì)
陶瓷電容常用于音頻電路兩級(jí)間的交流耦合、低音增強(qiáng)和濾波電路。不同類型電解質(zhì)的特性如圖3所示，對(duì)應(yīng)的元件列于表2。圖3也給出了一種隨意選取的穿孔式陶瓷電容器的特性曲線。最差情況是X5R電解質(zhì)，-3dB點(diǎn)的THD僅為 0.2%。為便于比較，可將其等同為-54dB的失真。與此同時(shí)，大多數(shù)16位音頻DAC和CODEC（編碼/解碼器-Coder/Decoder）的THD，相對(duì)于其滿度輸出至少要比這個(gè)數(shù)值（-54dB）好一數(shù)量級(jí)。
4、如何避免和改善電容器電壓系數(shù)效應(yīng)的影響
（1）圖4顯示了一種線路輸入拓?fù)洌捎靡环N新穎的交流耦合結(jié)構(gòu)，允許采用比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低得多的輸入電容。本例中的輸入電容（C1）為0.047μF，因而可以采用COG（玻璃片）電解質(zhì)的陶瓷電容，外殼尺寸僅為1206-這種結(jié)構(gòu)使電壓系數(shù)引起的THD減至最�。ㄒ妶D3中1206曲線）。
為避免和改善電容器電壓系數(shù)效應(yīng)的影響，圖4中采用了具有低輸入偏置電流的器件MAX4490。其MAX4490是雙四組低成本、高轉(zhuǎn)換率的運(yùn)算放大器，其特點(diǎn)是：2.7V~5.5V單電源工作電壓；轉(zhuǎn)換率為10V/μs；寬帶10MHz；軌對(duì)軌輸入共態(tài)電壓范圍；軌對(duì)輸出電壓偏差；能驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電阻為2kΩ。最廣泛應(yīng)用于音頻信號(hào)狀態(tài)中的新穎器件。該線路運(yùn)算放大器的直流反饋由兩個(gè)100kΩ電阻提供。在音頻頻段上，直流反饋電路的影響被C2和R5削弱，因此反饋主要由R1和R2通過(guò)C1完成。各器件取圖中所示數(shù)值時(shí)，-3dB截止頻率為5Hz.
這種復(fù)合反饋有一個(gè)一階低頻響應(yīng)，但在高通截止頻率附近可能會(huì)被調(diào)諧成二階響應(yīng)。因此，圖5所示為圖4所示電路的頻率響應(yīng)曲線。只要適當(dāng)調(diào)整圖4中元件值就可能將圖5曲線變成接近于最大平直度的高通響應(yīng)函數(shù)。這個(gè)原理電路經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改后很容易應(yīng)用到準(zhǔn)差分和全差分輸入線。
（2）立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)IC（MAX4410）采用一種創(chuàng)新技術(shù)，稱為直接驅(qū)動(dòng)。其MAX4410框圖見圖6所示。MAX4410工作于單一正電源PVDD時(shí)，卻可將輸出偏置設(shè)定在0V，這樣，就可以用直流耦合方式驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。因它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)，故也廣泛用于蜂窩式電話、MP3播放機(jī)及PDA等便攜設(shè)備之中。
其優(yōu)點(diǎn)如下：
*省掉了大尺寸的隔直電容（典型100μF至470μF），同時(shí)也消除了一個(gè)由電壓系數(shù)引起的主要的THD來(lái)源。
*更低的-3dB截止頻率，由輸入電容和輸入電阻決定的截止頻率大約在1.6Hz，但若采用交流耦合方式驅(qū)動(dòng)16Ω耳機(jī)，要實(shí)現(xiàn)1.6Hz的-3dB點(diǎn)就需要大約6200μF的電容。此外，低頻響應(yīng)也不再和負(fù)載相關(guān)了。
*省個(gè)大尺寸電容，顯著節(jié)省了印制板面積。
*對(duì)于一個(gè)參照于地的負(fù)載，為了使輸出級(jí)能夠吸收和輸出負(fù)載電流，MAX4410芯片產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)部的負(fù)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)放大器。由于這個(gè)電源（PVss）是正電源（VDD）的反相，可用的輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍（接近2VDD）是傳統(tǒng)的單電源交流耦合耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的兩倍。
在本例中，我們已給出了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法用降低輸入電容的電壓系數(shù)效應(yīng)在音頻頻段的影響，那就是選用超額容值的電容。假定輸入電阻為10kΩ，選10μF陶瓷電容作為CIN。這種組合將-3dB點(diǎn)置于1.6Hz，這樣，電壓系數(shù)非線性所造成的最壞影響也要比人耳能夠聽到的最低頻率低至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。
（3）再來(lái)分析一下若采用更大容值的電容的弊端，對(duì)比了兩種類型（鋁電解和鉭電解）的100μF電容，當(dāng)它們和16Ω電阻組成高通濾波器時(shí)的特性。在100Hz，-3dB頻率點(diǎn)，兩種類型的電容都會(huì)由于電壓系數(shù)效應(yīng)產(chǎn)生顯著的THD。100μF鉭電容在-3dB截止點(diǎn)產(chǎn)生的THD是0.2%，等同于圖4中性能最差的X5R陶瓷電容器。若利用Maxim的直接驅(qū)動(dòng)或類似技術(shù)，摒棄這些音頻通道上的器件，將顯著改善音頻品質(zhì)，在低頻段尤為顯著。
5、總結(jié)
無(wú)源器件會(huì)給模擬音頻帶來(lái)顯著的、可測(cè)量的性能惡化。這種效應(yīng)很容易用標(biāo)準(zhǔn)的音頻測(cè)試裝置測(cè)試和評(píng)價(jià)。在已經(jīng)過(guò)測(cè)試的電容類型中，鋁電解和聚酯電容有最低的THD，X5R陶瓷電容的THD最差。
而選擇有源器件時(shí)，應(yīng)注意盡可能減少模擬音頻電路中交流耦合電容的數(shù)量。例如，可以采用差分信號(hào)或直接驅(qū)動(dòng)器件（1MAX4410）來(lái)饋送耳機(jī)。如果可能的話，在設(shè)計(jì)音頻電路時(shí)盡可能使用小容值電容，這樣就可以使用COG（玻璃片）或PPS（聚苯硫化塑膠）電容。為了減小交流耦合音頻電路中電壓系數(shù)的影響，可將-3dB點(diǎn)降低到低于實(shí)際需求的位置。例哪10倍頻，將可能產(chǎn)生問(wèn)題的頻率限制在次聲波頻段。 |
