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無(wú)源元件(電阻和電容)的選擇及對音質(zhì)的影響與改善的最新技術(shù)
文章來(lái)源: 更新時(shí)間:2010/7/20
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1、前言
在音頻電路中,無(wú)源元件被用于設定電路增益,提供偏置和電源抑制,實(shí)現級間直流隔離等等功能。由于便攜式音頻設備的局限性,其空間、高度和成本都受到了嚴格限制,迫使設計者必須采用小尺寸、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(zhù)降低系統的性能。

一些設計得以為電阻和電容對音質(zhì)沒(méi)有什么大的影響,但實(shí)際情況是,很多在音頻信號通道上經(jīng)常使用的無(wú)源元件所固有的非線(xiàn)性特性,會(huì )帶嚴重的總諧波失真(THD)。

2、非線(xiàn)性之源
電容和電阻都存在一種所謂的電壓系數效應,即,當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,其參數值也隨之改變。例如,當一個(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。這種效應隨元件的類(lèi)型、結構和化學(xué)類(lèi)型(對于電容)的不同而有很大差異。有些制造商可以提供電壓系數信息,以曲線(xiàn)方式,給出了電容變化百分比對應額定電壓變化百分比的關(guān)系。

現代薄膜電阻的電壓系數已非常好,實(shí)驗室條件下基本上測不到。然而,電容器則差強人意,會(huì )對性能產(chǎn)生影響:
*電壓系數;
*介電吸收(DA):類(lèi)似于記憶效應,表現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),當串聯(lián)耦合電容驅動(dòng)低阻抗耳機或揚聲器時(shí)會(huì )限制功率輸出;
*顫噪效應:一些電容有顯著(zhù)的壓電效應,物理應力或變形會(huì )在電容兩端產(chǎn)生電壓;
*誤差較大:多數大容量電容(幾微法或更大)通常沒(méi)有嚴格規定精度。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試方法進(jìn)行討論,亦包括一個(gè)簡(jiǎn)單的測試電路和現成的音頻測試設備,以便評價(jià)音頻信號通道上的電容器所帶來(lái)的不利影響。其目的不是對某種尺寸和額定電壓或元件類(lèi)型進(jìn)行取舍判定,只是要讓有關(guān)人士了解這種現象,展示出一些有代表性的結果,并提供一種測試手段以便進(jìn)行合理的比較和判斷。

3、關(guān)于測試方法
應該說(shuō),非線(xiàn)性交流響應很容易在電容上觀(guān)察到。對于模擬音頻的頻率響應在大多數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(xiàn)性對于音頻質(zhì)量有顯著(zhù)影響。

從一個(gè)簡(jiǎn)單的RC高通濾波器分析起。當頻率遠高于-3dB截止頻率時(shí),電容器的阻抗低于電阻。當有高頻交流信號通過(guò)時(shí),只在電容器兩端產(chǎn)生很小的電壓,因此電壓系數所造成的變化應該很小。不過(guò),信號電流流過(guò)電容時(shí),會(huì )在電容器的ESR上產(chǎn)生電壓。ESR的非線(xiàn)性達到一定程度就會(huì )使非線(xiàn)性失真惡化。當接近-3dB截止頻率時(shí),電容和電阻的阻抗值達到同一數量級。結果是在電容器兩端產(chǎn)生明顯的交流電壓,同時(shí)又只只對輸入信號產(chǎn)生很小的衰減。此時(shí),電壓系數效應接近其峰值。

本測試將聚焦于-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)源于其電壓系數效應。其測試電路包括一個(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(guān)察在更換不同結構、化學(xué)成分和不同類(lèi)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(lèi)型的多樣性,選擇1μF容值的電容,它和15Ω的負載,輸入和輸出有相同的直流電位。

(1)聚酯電容和參考基線(xiàn)
圖2中的THD+N和頻率的關(guān)系曲線(xiàn)給出了測試裝置分辨率的上限(即圖2中測量上限),以及一種25V穿孔式聚酯電容器(在便攜設備中不常用)的最小影響。由電壓系數引起的非線(xiàn)性失真也不是很明顯。注意到在頻率低于1kHz時(shí)THD開(kāi)始增加,但實(shí)際上輸出信號的頻率低于1kHz時(shí)也下降了,因而降低了由分析儀所記錄的信號-噪聲(加失真)比率。關(guān)鍵區域在于1kHz以上,在此區間聚酯電容的表現良好--僅能測到相對于參考基線(xiàn)輕微的惡化。

(2)便攜設備中的鉭電解質(zhì)
便攜設備中?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)。為此對三種常見(jiàn)的表現安裝型鉭電容器(即A外形、B外形、C外形)和傳統的穿孔"浸漬"型鉭電容器(實(shí)驗室外很常見(jiàn))作THD+N和頻率的關(guān)系測試比較(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比測試);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(jiàn)表1所示。通過(guò)測試它們的THD和頻率的關(guān)系,可以發(fā)現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間的交流耦合、低音增強和濾波電路。不同類(lèi)型電解質(zhì)的特性如圖3所示,對應的元件列于表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(xiàn)。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16位音頻DAC和CODEC(編碼/解碼器-Coder/Decoder)的THD,相對于其滿(mǎn)度輸出至少要比這個(gè)數值(-54dB)好一數量級。

4、如何避免和改善電容器電壓系數效應的影響
(1)圖4顯示了一種線(xiàn)路輸入拓撲,它采用一種新穎的交流耦合結構,允許采用比傳統結構低得多的輸入電容。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-這種結構使電壓系數引起的THD減至最。ㄒ(jiàn)圖3中1206曲線(xiàn))。

為避免和改善電容器電壓系數效應的影響,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、高轉換率的運算放大器,其特點(diǎn)是:2.7V~5.5V單電源工作電壓;轉換率為10V/μs;寬帶10MHz;軌對軌輸入共態(tài)電壓范圍;軌對輸出電壓偏差;能驅動(dòng)的負載電阻為2kΩ。最廣泛應用于音頻信號狀態(tài)中的新穎器件。該線(xiàn)路運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值時(shí),-3dB截止頻率為5Hz.
這種復合反饋有一個(gè)一階低頻響應,但在高通截止頻率附近可能會(huì )被調諧成二階響應。因此,圖5所示為圖4所示電路的頻率響應曲線(xiàn)。只要適當調整圖4中元件值就可能將圖5曲線(xiàn)變成接近于最大平直度的高通響應函數。這個(gè)原理電路經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改后很容易應用到準差分和全差分輸入線(xiàn)。

(2)立體聲耳機驅動(dòng)IC(MAX4410)采用一種創(chuàng )新技術(shù),稱(chēng)為直接驅動(dòng)。其MAX4410框圖見(jiàn)圖6所示。MAX4410工作于單一正電源PVDD時(shí),卻可將輸出偏置設定在0V,這樣,就可以用直流耦合方式驅動(dòng)耳機。因它具有以下一些優(yōu)點(diǎn),故也廣泛用于蜂窩式電話(huà)、MP3播放機及PDA等便攜設備之中。

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動(dòng)16Ω耳機,要實(shí)現1.6Hz的-3dB點(diǎn)就需要大約6200μF的電容。此外,低頻響應也不再和負載相關(guān)了。

*省個(gè)大尺寸電容,顯著(zhù)節省了印制板面積。
*對于一個(gè)參照于地的負載,為了使輸出級能夠吸收和輸出負載電流,MAX4410芯片產(chǎn)生了一個(gè)內部的負電源來(lái)驅動(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)是傳統的單電源交流耦合耳機驅動(dòng)器的兩倍。

在本例中,我們已給出了一個(gè)相對簡(jiǎn)單的方法用降低輸入電容的電壓系數效應在音頻頻段的影響,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,電壓系數非線(xiàn)性所造成的最壞影響也要比人耳能夠聽(tīng)到的最低頻率低至少一個(gè)數量級。

(3)再來(lái)分析一下若采用更大容值的電容的弊端,對比了兩種類(lèi)型(鋁電解和鉭電解)的100μF電容,當它們和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(lèi)型的電容都會(huì )由于電壓系數效應產(chǎn)生顯著(zhù)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的直接驅動(dòng)或類(lèi)似技術(shù),摒棄這些音頻通道上的器件,將顯著(zhù)改善音頻品質(zhì),在低頻段尤為顯著(zhù)。

5、總結
無(wú)源器件會(huì )給模擬音頻帶來(lái)顯著(zhù)的、可測量的性能惡化。這種效應很容易用標準的音頻測試裝置測試和評價(jià)。在已經(jīng)過(guò)測試的電容類(lèi)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),應注意盡可能減少模擬音頻電路中交流耦合電容的數量。例如,可以采用差分信號或直接驅動(dòng)器件(1MAX4410)來(lái)饋送耳機。如果可能的話(huà),在設計音頻電路時(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。

 
 
 
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