无源元件对音质的影响与改善的新技术

作者：实用影音技术 鲁思慧

欢迎访问e展厅 展厅 2 音响/数码产品展厅 数码相框, 音频播放器, 音响,... 1、前言 在音频电路中，无源元件被用于设定电路增益，提供偏置和电源抑制，实现级间直流隔离等等功能。由于便携式音频设备的局限性，其空间、高度和成本都受到了严格限制，迫使设计者必须采用小尺寸、低截面和低成本的无源元件。但在使用之前，有必要对这些器件的音频效果作一番研究，拙劣的元件选择会显著降低系统的性能。 一些设计得以为电阻和电容对音质没有什么大的影响，但实际情况是，很多在音频信号通道上经常使用的无源元件所固有的非线性特性，会带严重的总谐波失真（THD）。 2、非线性之源 电容和电阻都存在一种所谓的电压系数效应，即，当元件两端的电压改变时，元件的物理特性会发生某种程度的改变，其参数值也随之改变。例如，当一个两端无电压时阻值为1.00kΩ的电阻被加以10V电压时，其实际电阻值变为1.01kΩ。这种效应随元件的类型、结构和化学类型（对于电容）的不同而有很大差异。有些制造商可以提供电压系数信息，以曲线方式，给出了电容变化百分比对应额定电压变化百分比的关系。 现代薄膜电阻的电压系数已非常好，实验室条件下基本上测不到。然而，电容器则差强人意，会对性能产生影响： *电压系数； *介电吸收（DA）：类似于记忆效应，表现为已被放电的电容仍持有一些电荷； *等效串联电阻（ESR）：和频率有关，当串联耦合电容驱动低阻抗耳机或扬声器时会限制功率输出； *颤噪效应：一些电容有显著的压电效应，物理应力或变形会在电容两端产生电压； *误差较大：多数大容量电容（几微法或更大）通常没有严格规定精度。而电阻就很容易廉价地做到1%或2%的容差。 下面就提供的一种测试方法进行讨论，亦包括一个简单的测试电路和现成的音频测试设备，以便评价音频信号通道上的电容器所带来的不利影响。其目的不是对某种尺寸和额定电压或元件类型进行取舍判定，只是要让有关人士了解这种现象，展示出一些有代表性的结果，并提供一种测试手段以便进行合理的比较和判断。 3、关于测试方法 应该说，非线性交流响应很容易在电容上观察到。对于模拟音频的频率响应在大多数电路模块中可分为高通、低通和带通滤波器，这些滤波器的非线性对于音频质量有显著影响。 从一个简单的RC高通滤波器分析起。当频率远高于-3dB截止频率时，电容器的阻抗低于电阻。当有高频交流信号通过时，只在电容器两端产生很小的电压，因此电压系数所造成的变化应该很小。不过，信号电流流过电容时，会在电容器的ESR上产生电压。ESR的非线性达到一定程度就会使非线性失真恶化。当接近-3dB截止频率时，电容和电阻的阻抗值达到同一数量级。结果是在电容器两端产生明显的交流电压，同时又只只对输入信号产生很小的衰减。此时，电压系数效应接近其峰值。 本测试将聚焦于-3dB截止点的总谐波失真（THD），突显无源元件的非理想特性--它主要来源于其电压系数效应。其测试电路包括一个-3dB截止频率为1kHz的高通滤波器和一个音频分析器（Audio Precision System One），以便观察在更换不同结构、化学成分和不同类型电容时的总谐波失真和噪声（THD+N）恶化情况。考虑到可选电容类型的多样性，选择1μF容值的电容，它和15Ω的负载，输入和输出有相同的直流电位。 （1）聚酯电容和参考基线 图2中的THD+N和频率的关系曲线给出了测试装置分辨率的上限（即图2中测量上限），以及一种25V穿孔式聚酯电容器（在便携设备中不常用）的最小影响。由电压系数引起的非线性失真也不是很明显。注意到在频率低于1kHz时THD开始增加，但实际上输出信号的频率低于1kHz时也下降了，因而降低了由分析仪所记录的信号-噪声（加失真）比率。关键区域在于1kHz以上，在此区间聚酯电容的表现良好--仅能测到相对于参考基线轻微的恶化。 （2）便携设备中的钽电解质 便携设备中常可以看到钽电容，通常用作隔直电容，特别是要求电容值大于几微法时。为此对三种常见的表现安装型钽电容器（即A外形、B外形、C外形）和传统的穿孔"浸渍"型钽电容器（实验室外很常见）作THD+N和频率的关系测试比较（即不同钽电容组成的无源1kHz高通滤波器的随频率变化的对比测试）；它们同样具有1μF的容值，只是物理尺寸（外壳尺寸）和额定电压不同，见表1所示。通过测试它们的THD和频率的关系，可以发现A外形的THD+N最小，而C外形的THD+N较大，B外形的THD+N更大，穿孔"浸渍"钽电容的THD+N最大。注意在测试中电容器两央没有施加直流偏压。 （3）陶瓷电解质 陶瓷电容常用于音频电路两级间的交流耦合、低音增强和滤波电路。不同类型电解质的特性如图3所示，对应的元件列于表2。图3也给出了一种随意选取的穿孔式陶瓷电容器的特性曲线。最差情况是X5R电解质，-3dB点的THD仅为 0.2%。为便于比较，可将其等同为-54dB的失真。与此同时，大多数16位音频DAC和CODEC（编码/解码器-Coder/Decoder）的THD，相对于其满度输出至少要比这个数值（-54dB）好一数量级。 4、如何避免和改善电容器电压系数效应的影响 （1）图4显示了一种线路输入拓扑，它采用一种新颖的交流耦合结构，允许采用比传统结构低得多的输入电容。本例中的输入电容（C1）为0.047μF，因而可以采用COG（玻璃片）电解质的陶瓷电容，外壳尺寸仅为1206-这种结构使电压系数引起的THD减至最小（见图3中1206曲线）。 为避免和改善电容器电压系数效应的影响，图4中采用了具有低输入偏置电流的器件MAX4490。其MAX4490是双四组低成本、高转换率的运算放大器，其特点是：2.7V~5.5V单电源工作电压；转换率为10V/μs；宽带10MHz；轨对轨输入共态电压范围；轨对输出电压偏差；能驱动的负载电阻为2kΩ。最广泛应用于音频信号状态中的新颖器件。该线路运算放大器的直流反馈由两个100kΩ电阻提供。在音频频段上，直流反馈电路的影响被C2和R5削弱，因此反馈主要由R1和R2通过C1完成。各器件取图中所示数值时，-3dB截止频率为5Hz. 这种复合反馈有一个一阶低频响应，但在高通截止频率附近可能会被调谐成二阶响应。因此，图5所示为图4所示电路的频率响应曲线。只要适当调整图4中元件值就可能将图5曲线变成接近于最大平直度的高通响应函数。这个原理电路经过简单修改后很容易应用到准差分和全差分输入线。 （2）立体声耳机驱动IC（MAX4410）采用一种创新技术，称为直接驱动。其MAX4410框图见图6所示。MAX4410工作于单一正电源PVDD时，却可将输出偏置设定在0V，这样，就可以用直流耦合方式驱动耳机。因它具有以下一些优点，故也广泛用于蜂窝式电话、MP3播放机及PDA等便携设备之中。 其优点如下： *省掉了大尺寸的隔直电容（典型100μF至470μF），同时也消除了一个由电压系数引起的主要的THD来源。 *更低的-3dB截止频率，由输入电容和输入电阻决定的截止频率大约在1.6Hz，但若采用交流耦合方式驱动16Ω耳机，要实现1.6Hz的-3dB点就需要大约6200μF的电容。此外，低频响应也不再和负载相关了。 *省个大尺寸电容，显著节省了印制板面积。 *对于一个参照于地的负载，为了使输出级能够吸收和输出负载电流，MAX4410芯片产生了一个内部的负电源来驱动放大器。由于这个电源（PVss）是正电源（VDD）的反相，可用的输出电压动态范围（接近2VDD）是传统的单电源交流耦合耳机驱动器的两倍。 在本例中，我们已给出了一个相对简单的方法用降低输入电容的电压系数效应在音频频段的影响，那就是选用超额容值的电容。假定输入电阻为10kΩ，选10μF陶瓷电容作为CIN。这种组合将-3dB点置于1.6Hz，这样，电压系数非线性所造成的最坏影响也要比人耳能够听到的最低频率低至少一个数量级。 （3）再来分析一下若采用更大容值的电容的弊端，对比了两种类型（铝电解和钽电解）的100μF电容，当它们和16Ω电阻组成高通滤波器时的特性。在100Hz，-3dB频率点，两种类型的电容都会由于电压系数效应产生显著的THD。100μF钽电容在-3dB截止点产生的THD是0.2%，等同于图4中性能最差的X5R陶瓷电容器。若利用Maxim的直接驱动或类似技术，摒弃这些音频通道上的器件，将显著改善音频品质，在低频段尤为显著。 5、总结 无源器件会给模拟音频带来显著的、可测量的性能恶化。这种效应很容易用标准的音频测试装置测试和评价。在已经过测试的电容类型中，铝电解和聚酯电容有最低的THD，X5R陶瓷电容的THD最差。 而选择有源器件时，应注意尽可能减少模拟音频电路中交流耦合电容的数量。例如，可以采用差分信号或直接驱动器件（1MAX4410）来馈送耳机。如果可能的话，在设计音频电路时尽可能使用小容值电容，这样就可以使用COG（玻璃片）或PPS（聚苯硫化塑胶）电容。为了减小交流耦合音频电路中电压系数的影响，可将-3dB点降低到低于实际需求的位置。例哪10倍频，将可能产生问题的频率限制在次声波频段。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/18/2004)