无源元件对音质的影响与改善的新技术

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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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。

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