微軟公司新一代視窗操作系統Vista對臺式和筆記本電腦的音質(zhì)提出了更高要求。電腦生產(chǎn)廠(chǎng)商必須滿(mǎn)足其音質(zhì)規范才能得到Windows Vista LOGO 授權許可。這些新的規范主要包括音頻信號的THD＋N（總失真度+噪音），動(dòng)態(tài)范圍及交叉干擾等音頻指標。
音頻放大器并非理想器件，其輸出會(huì )產(chǎn)生THD＋N，而音頻信號通道中的無(wú)源器件對系統THD影響也很大。本文詳細介紹了音頻通道中的無(wú)源器件如何產(chǎn)生THD，并重點(diǎn)分析了非理想的2類(lèi)電介質(zhì)多層陶瓷電容器對THD的影響。
無(wú)源器件是否能成功設計音頻系統至關(guān)重要，因為它們可確定系統增益，提供合適偏置，抑制電源噪聲干擾，隔離直流等。不幸的是，便攜式設備由于體積、高度、成本的限制，它們只能采用小尺寸、低成本的器件。因此，如果不能真正了解這些小尺寸、低成本無(wú)源器件的非線(xiàn)性特性，要想通過(guò)微軟的Vista認證十分困難。
實(shí)際的電容器與理想的電容器的差異可以用電壓系數、溫度系數、壓電效應、等效串聯(lián)電阻、電感、漏電流、介質(zhì)吸收及公差等量化表達。其中優(yōu)化設計音頻系統最重要的兩個(gè)參量是電容的電壓系數和逆向壓電效應（對電壓系數影響最大的參數）。
壓電效應
壓電效應是特定晶體的專(zhuān)有特性：在機械應力作用下，它們能產(chǎn)生電荷。對于晶體結構物質(zhì)，當無(wú)外部機械壓力時(shí)，由于其結構的對稱(chēng)性，無(wú)電荷輸出；一旦晶體受到外部應力，其結構的對稱(chēng)性受到破壞，則產(chǎn)生凈電荷。
而逆向壓電效應則正好相反：當施加一個(gè)變換的電場(chǎng)時(shí)，晶體或物質(zhì)的機械尺寸發(fā)生改變。K因子大的電容器（譬如，2類(lèi)電介質(zhì)）當外部施加電信號時(shí)，會(huì )有明顯的逆壓電效應發(fā)生，結果導致電容器的機械尺寸改變。隨著(zhù)電信號增強，電容器的物理變形越大，最終導致電容器的容值改變。對于圖1所示的隔直電容器，由于逆向壓電效應，電容器容值變化會(huì )使得音頻放大器輸出增益非線(xiàn)性改變。
AV = RF/(1/sCIN + RIN).
由上式可見(jiàn)，電容的非線(xiàn)性變換主要影響音頻系統的低頻響應，這是因為其低頻阻抗在增益等式中占主要成份，其結果導致音頻系統響應失真。
該逆向壓電效應是目前為止對音頻低頻響應影響最大的因數（見(jiàn)圖2）。當該電容的容值等于音頻放大器的輸入阻抗時(shí)（或當f-3dB = 1/(2RINCIN)，其影響最大。對于一個(gè)典型的音頻放大器，其f-3dB 點(diǎn)通常在100Hz或低于100Hz 。
雖然逆向壓電效應在2類(lèi)低電介質(zhì)電容器中是影響電壓系數的主要因數，然而有趣的是，這些電容器容值改變量與是否施加交流電壓或恒定的直流偏置關(guān)系很大。
交流電壓的影響
雖然電容器的容值隨所加直流電壓增加減小，但卻隨所施加交流電壓幅值增加而增加（在一個(gè)合理范圍內），見(jiàn)圖3。
當AC電壓增大到一定值時(shí)，電容器的容值又會(huì )減小，不過(guò)，對于通常的PC音頻電路，一般不會(huì )有如此大的AC電壓，因此本文不予分析。
圖3逆向壓電效應引起電容非線(xiàn)性變化導致音頻系統THD增加說(shuō)明見(jiàn)圖4。
把一個(gè)X7R陶瓷電介質(zhì)電容器串連在MAXIM公司的音頻放大器（輸入阻抗 40kΩ）輸入端，CDUT 在10V電壓（0603）和25V電壓（1206）改變引入THD＋N。精密音頻測試儀掃描，監測輸出波形在小于等于1kHz時(shí)的失真度。請注意，10V額定耐壓電容器的輸出失真比25V額定耐壓電容器的失真大。
低耐壓（即高電壓系數）產(chǎn)生較大THD是因為電容器在同樣電壓下逆向壓電效果更明顯，當輸入耦合電容器的阻抗等于音頻放大器的輸入阻抗時(shí)，產(chǎn)生的失真最大。（見(jiàn)圖5）
由于電壓系數隨電容器額定耐壓值增加而減小，因此較低頻帶的THD被減小。對于2類(lèi)介電質(zhì)電容器，選擇標稱(chēng)耐壓高的產(chǎn)品更容易通過(guò)微軟公司的Vista 音頻認證，不過(guò)電容器的尺寸會(huì )隨耐壓值的升高而變大。 例如，一個(gè) 1.0mF ± 20% ，10V 額定耐壓的陶瓷電容器的尺寸為：0603，而同樣容值，額定耐壓 25V的陶瓷電容器的尺寸則增大到 1206 。 盡管最近超小型筆記本電腦和臺式電腦主板越來(lái)越小，但為了遵從微軟Vista視窗操作系統20Hz~20kHz音頻帶寬內的THD＋N規范，通常仍采用大尺寸電容器作為耳機放大器輸入隔直電容。
電介質(zhì)種類(lèi)
電容器的介質(zhì)種類(lèi)影響THD大小。不同的介質(zhì)產(chǎn)生的THD大小不一。在圖6中我們用THD＋N進(jìn)行量化說(shuō)明。一個(gè)1.0mF, 0603大小，16V額定耐壓陶瓷電容器被放置在MAXIM公司40kΩ輸入阻抗的音頻放大器的輸入作為隔直電容（CDUT），CDUT由于介質(zhì)不同改變值也不一樣（ X7R或 Y5V）, 從而導致20Hz~20kHz頻帶的THD＋N也不同（采用精密音頻信號測試儀對輸出信號的20Hz~20kHz頻率成份進(jìn)行掃描測量）。頻率高于1kHz后，由于音頻放大器減小的環(huán)路增益抑制了電路失真，因此頻率高于1kHz后，電容值的改變對THD影響很小，所以圖中X7R，Y5V和PlaSTIc電容器的頻率失真曲線(xiàn)幾乎完全重合（>1kHz）。同時(shí)需要注意的是，圖中THD＋N曲線(xiàn)從6.3kHz開(kāi)始下滾（迅速下降），這主要是由于在頻譜分析儀輸入端有一個(gè)AES-17 (Audio Engieering Society) 20kHz 濾波器的緣故。根據該測量標準，20kHz以上的輸入頻率成份及高于6.3kHz的輸入頻率成份的3次諧波需要被快速衰減。 |
