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。