在高端音頻設備中，慎重地選擇電阻器是避免或將信號路徑中的噪聲和失真降至最低的最佳方法之一。本文描述了使用各種現有電阻器技術(shù)制造的電阻器中噪聲的生成情況，并且對每種類(lèi)型的典型噪聲插入進(jìn)行了量化。
噪聲是一種可能疊加在任何有用信號（含直流）上的無(wú)用寬頻譜信號。像其他無(wú)源器件一樣，電阻器會(huì )產(chǎn)生不同程度的噪聲，噪聲大小取決于電阻值、溫度、施加的電壓以及電阻器類(lèi)型。
有很多實(shí)驗闡明某些電阻器比其他電阻器“噪聲大”的原因。然而，音頻專(zhuān)家和發(fā)燒友均認同的唯一檢測方法就是：比較在實(shí)際音頻系統中使用不同電阻器技術(shù)時(shí)形成的保真度。
電阻器中的噪聲
電阻器總噪聲由多個(gè)成分組成。與各種音頻應用密切相關(guān)的是熱噪聲和電流噪聲。
熱噪聲的顯著(zhù)特點(diǎn)是與電阻材料無(wú)關(guān)。事實(shí)上，如果電阻和溫度相同，任何類(lèi)型的電阻器的熱噪聲等級均相同。熱噪聲的電壓功率譜密度（PSD）ST ［V2/Hz］在整個(gè)頻率范圍內均勻分布。其可以用下列表達式表示：
其中
R – 電阻器的電阻［W］，T – 電阻器溫度［K］，k = 1.3807´10-23 J/K – 玻爾茲曼（Boltzmann）常數。
另一方面，電流噪聲與電阻材料的類(lèi)型具有直接關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，電流噪聲的電壓譜密度SE與電阻器上的直流電壓降U的平方成正比，與頻率f成反比：
C是取決于電阻元件材料及其制造工藝的常數。
圖1顯示了電阻器中總噪聲電壓的譜密度S。
圖1.電阻器中總噪聲電壓的譜密度
電阻器中電流噪聲等級通常用單位μV/V或者分貝（按照噪聲指數［NI］dB）表示
其中，u是十進(jìn)位帶寬上的均方根噪聲電壓，而U是電阻器上的直流電壓降。u和U的測量單位均是伏特。
噪聲指數越低，電阻器中的電流噪聲等級也越低。
下面圖表顯示了使用不同技術(shù)制造的電阻器的噪聲指數。
圖2.商用電阻器的平均噪聲指數
如圖表所示，基于復合電阻材料（如碳和厚膜）的電阻器的電流噪聲等級最高。為什么呢？這是由于這些電阻元件材料的顯著(zhù)非均質(zhì)性造成的。這些復合材料中的導電路徑是由隔離矩陣中相互接觸的導電粒子形成的。當電流流經(jīng)這些“接觸位置”中的不穩定接觸點(diǎn)時(shí)，它們便產(chǎn)生噪聲。
薄膜電阻具有相當強的均質(zhì)結構，因此噪聲較低。薄膜是通過(guò)在陶瓷基板上蒸發(fā)或者噴濺電阻材料（例如：氮化鉭（TaN）、硅鉻（SiCr）和鎳鉻（NiCr））沉積形成的。根據電阻值的不同，該層的厚度范圍一般為10到500埃。薄膜中的噪聲是由夾雜、表面缺陷和不均勻的沉積（當膜較薄時(shí)，更加顯著(zhù)）造成的。這就是電阻膜越厚，電阻值越低，從而噪聲等級越低的原因所在。
在具有大金屬電阻元件的電阻器中，可以觀(guān)測到最低的噪聲等級：箔電阻和繞線(xiàn)電阻。雖然線(xiàn)是由與箔材料類(lèi)似的金屬合金制成，但是電阻元件細線(xiàn)和比較粗的電阻器接線(xiàn)端子接合點(diǎn)處可能產(chǎn)生額外的噪聲。在箔電阻器中，接線(xiàn)端子和電阻元件均為同一塊箔的某些部分，因此避免了這個(gè)問(wèn)題。然而，繞線(xiàn)電阻器的主要缺陷是其電感。電感可導致對信號峰值進(jìn)行斬波以及嚴重依賴(lài)信號頻率上的電阻器阻抗。此外，必須對下列與繞線(xiàn)電阻器的電抗相關(guān)的影響格外關(guān)注：
音頻放大器可能在5 MHz至50 MHz以上自振蕩，影響音頻質(zhì)量。
等效串聯(lián)電感（ESL）會(huì )引起大相移，影響音頻音調。
線(xiàn)圈可能起到拾取電磁干擾（EMI）的作用，超過(guò)通常電流噪聲等級。
箔電阻器避免了這些問(wèn)題，因為它們是通過(guò)化學(xué)蝕刻扁平的大金屬箔構成的，因此，在相鄰載流路徑中的電流流動(dòng)方向相反，消除了這些路徑中的寄生電感。而且，路徑到路徑的電容為串聯(lián)，具有將電阻器的寄生電容降至最小的效果。這些低電感／電容電阻器的特點(diǎn)是不可測量的峰值到峰值的信號失真。
在高端音頻應用中的箔電阻器
高端模擬音頻應用要求固有噪聲低、放大線(xiàn)性度高和動(dòng)態(tài)失真極小。典型的音頻放大器由電壓前置放大器（預放大）和功率放大器（最終驅動(dòng)）組成。電壓前置放大器處理低電平信號。這就是固有噪聲等級至關(guān)重要的原因。電阻器是放大器中主要噪聲源之一。
對音頻功率放大器的主要要求是放大線(xiàn)性度高、動(dòng)態(tài)失真極小。箔電阻器的特點(diǎn)是電阻元件（由大金屬制成）的固有非線(xiàn)性度非常低。繞線(xiàn)電阻器和一些金屬膜電阻器具有類(lèi)似的非線(xiàn)性度特點(diǎn)，但是，在現實(shí)世界中，電阻器的固有線(xiàn)性度不足以確保放大線(xiàn)性度。
音頻功率放大器通�；谂c運算放大器類(lèi)似的電路設計（圖3）。它的增益
取決于負反饋分壓器中的R2/R1電阻比率。電阻器R1和R2分別消耗功率
和
所以
通常k 》 2，故R2》 R1。這表明，在電阻器R2中的功耗和溫升總會(huì )超過(guò)在電阻器R1中的功耗和溫升。即使兩個(gè)電阻器均具有相同的TCR（理想情況），該放大器的增益也將變化，這是因為R2/R1比率將取決于輸出電壓VO。因而，聲音信號的典型尖峰和脈沖可能造成放大器增益的瞬態(tài)變化。其結果是輸入電壓VI和輸出電壓VO之間的非線(xiàn)性依賴(lài)（圖4）。這個(gè)現象稱(chēng)作溫度引起的放大器的非線(xiàn)性。其原因是電阻器的自熱，其定量的特點(diǎn)是電阻功率系數（PCR）。減小電阻功率系數（PCR）的方法是選擇具有最小絕對TCR值的R1和R2電阻器。
圖3
圖4
例如：將一個(gè)0.3 W的負載同時(shí)施加到采用不同技術(shù)制造的三個(gè)1206尺寸的片式電阻器：
TCR約為+ 42ppm/°C的厚膜片式電阻器
TCR約為+ 4 ppm/°C的薄膜片式電阻器
TCR約為-0.1 ppm/°C的、基于Z箔技術(shù)的大金屬箔。
結果如下面的圖表中所示。相關(guān)電阻變化的穩定值如下所述：
厚膜片式電阻器：+2000 ppm；
薄膜片式電阻器：-140 ppm；
大金屬Z箔：+5 ppm。
圖5.在0.3-W功率負載條件下測量逾9秒鐘，自熱電阻（電阻功率系數）對三種類(lèi)型電阻器的影響
在放大線(xiàn)性度高和動(dòng)態(tài)失真極小的要求下，對于音頻放大器而言，大金屬箔電阻器是較好的選擇。威世精密集團特別推薦VAR、Z201、S102C、Z203、VSHZ、VSMP系列（0603-2018），VFCP系列和SMRXDZ系列電阻器，實(shí)現音頻應用中的無(wú)噪聲性能。 |
