便攜式設(shè)備中的無源元件對(duì)音頻質(zhì)量的影響

       在音頻電路設(shè)計(jì)中通常采用無源元件設(shè)置增益，提供電流偏置和電流退耦，并用來分隔相對(duì)獨(dú)立的直流電路模塊。而對(duì)于便攜式音頻設(shè)計(jì)，因?yàn)槭艿娇臻g、高度和價(jià)格的限制，必須采用小封裝、低高度和低價(jià)格的無源元件。

       1 非線性的來源

       電容器和電阻器都具有電壓系數(shù)，就是說如果在其兩端施加不同的電壓時(shí)其物理參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。例如，一個(gè)在零電壓下精確阻值為1.00kΩ的電阻器，如果施加10V的端電壓，那么，它的阻值將變?yōu)?.01kΩ。電壓系數(shù)的影響程度取決于元件的類型、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分（對(duì)于電容器）。有些生活廠家會(huì)提供元件的電壓系數(shù)曲線圖，給出標(biāo)稱電壓百分比和標(biāo)稱電容器百分比的關(guān)系曲線。新一代薄膜電阻器具有非常好的電壓系數(shù)，實(shí)驗(yàn)室條件下很難測(cè)量其誤差。電容器則不同，從以下幾方面來看將會(huì)限制音頻性能。

      ●電壓系數(shù)。

      ●介質(zhì)吸收（DA）：一個(gè)看似完全放電的電容器仍然會(huì)有極少量的電荷殘留。

      ●等效串聯(lián)阻抗（ESR）：這是一個(gè)與頻率相關(guān)的參數(shù)，一個(gè)經(jīng)串聯(lián)耦合電容器驅(qū)動(dòng)的低阻抗耳機(jī)或擴(kuò)音器，由于耦合電容器存在ESR將會(huì)限制最大輸出功率。

      ●顫噪效應(yīng)：有一些電容器具有有顯著的壓電效應(yīng)，但它受到外部壓力彎曲時(shí)，會(huì)在兩端產(chǎn)生相應(yīng)的電壓輸出。

      ●公差：對(duì)于多數(shù)大容量的電容器（幾微法或者更高），一般很少標(biāo)注公差值。而電阻器的公差一般為1%~2%。

       下面介紹一種測(cè)試方法，同時(shí)也包括簡(jiǎn)單的測(cè)試電路。從音頻測(cè)試設(shè)備顯示結(jié)果來看，要吧清楚地量化音頻信號(hào)電路的電容器非常線性對(duì)音頻質(zhì)量的影響。我們的目的主要是提醒讀者注意這種現(xiàn)象，仔細(xì)觀察這種有代表性的結(jié)果，并且提供一種有效的測(cè)試和比較方法。

       2 測(cè)試方法

       電容器的非線性交流效應(yīng)比較容易發(fā)現(xiàn)。如果以模擬音頻電路的頻率響應(yīng)來劃分，最基本的濾波器包括高通、低通和帶通三種，這些濾波器的非線性特性是真實(shí)的并且是可以量化的。

       考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的高速RC濾波器（見圖1）。當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于它的-3db截止頻率時(shí)，電容器相對(duì)于電阻器來說具有很低的阻抗。如此高頻的交流信號(hào)在電容器兩端會(huì)產(chǎn)生非常小的壓差，那么電容電壓系數(shù)的影響就可以忽略。但是電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）與輸入信號(hào)電流的乘積會(huì)在電容器上產(chǎn)生相應(yīng)的壓降，必須注意ESR的非線性會(huì)增大電路的總諧波失真（THD）。

       當(dāng)信號(hào)頻率接受或等于-3db截止頻率的總諧波失真（THD），這種測(cè)試突出了電容器電壓系數(shù)的非線性特性對(duì)THD的影響。測(cè)試電路基于一個(gè)-3db截止頻率為1kHz的高通RC濾波器。當(dāng)我們選擇不同結(jié)構(gòu)、不同材料及不同類型的電容器時(shí)，在音頻分析儀上觀察THD的變化情況。我們選擇了多種類型的1μF的電容器進(jìn)行測(cè)試。配合150Ω的負(fù)載電阻器，構(gòu)成一個(gè)標(biāo)稱截止頻率等于1kHz的耳機(jī)濾波器。需要注意的是電容器兩端沒有額外的直流偏置，輸入/輸出具有同樣的直流電位。

       3 不同電容器的測(cè)量結(jié)果

       圖2給出上述電路的THD+N與頻率的關(guān)系曲線，圖（a）選用的是聚酯電容器，額定電壓為25V的通孔聚酯電容器并不適用于便攜式設(shè)備。從該圖可以清楚地看出電容器電壓系數(shù)對(duì)總諧波失真THD的影響。注意聚酯電容器將導(dǎo)致1kHz頻率以下THD的升高，實(shí)際輸出信號(hào)減小。另外，我們注意到頻率高于1kHz以后聚酯電容器造成的影響非常小，TND+N指標(biāo)只是略微高于參考值。

       便攜式設(shè)備中大量使用鉭電容器，耳機(jī)放大器的隔直流電容通常要在幾個(gè)μF以上。圖(b)

       是另外一個(gè)THD+N與頻率的關(guān)系曲線，它包含一個(gè)傳統(tǒng)的通也鉭電容器測(cè)試曲線和三個(gè)普通的表貼型鉭電容器測(cè)試曲線。所有電容器的容值都是1μF，所不同的只是物理尺寸和額定

       電壓（請(qǐng)參考表1）。注意測(cè)試時(shí)沒有施加直流偏置電壓。

       在音頻電路中經(jīng)常采用陶瓷電容器作為交流耦合元件，在低頻提升和濾波電路中也大量使用。圖2(C)所示測(cè)試曲線類似于圖2(b)，所不同的只是采用了表2給出的三種陶瓷電容器做測(cè)試。

       表1 三種表貼型鉭電容器的參數(shù)

       電容值/μF 尺寸L×W/mm 額定電壓/V 
       1 A(3.2x1.6) 25 
       1 B(3.5x2.8) 35 
       1 C（6.0x3.2） 50

       表2 三種表貼型陶瓷電容的參數(shù)

       電容值/μF 尺寸L×W/mm 額定電壓/V 介質(zhì)類型 
       1 0603 10 X5R 
       1 0805 16 X7R 
       1 1206 16 X7R

       圖2(c)同樣給出了一個(gè)隨機(jī)選取的能孔陶瓷電容器的測(cè)試曲線。從圖上觀察，對(duì)于X5R的陶瓷電容器來說，在-3db截止頻率(1kHz點(diǎn))附近最差的THD+N值為0.2%,相當(dāng)于-54db的失真。大多數(shù)16位音DAC和編解碼器（CODEC）的THD指標(biāo)都優(yōu)于這個(gè)數(shù)值。在這里，我們需要注意COG介質(zhì)電容器具有非常低的電壓系數(shù)，但它的最大電容量受到限制，通常最大值只有0.047μF。上述測(cè)試用了1μF電容器，所以沒有包括COG電容器。

       4 怎樣避免電容器電壓系數(shù)的影響

       圖3所示音頻放大器采用了一種新穎的交流耦合方式，它與傳統(tǒng)的耦合電路配置相比只需要非常小的耦合電容器。圖中輸入電容器（C1）的容量?jī)H為0.047μF。因此，我們可以采用電壓系數(shù)非常低的COG/1206陶瓷電容器這樣可以最大限度地降低電壓系數(shù)的影響。運(yùn)算放大器（必須采用低偏置電流的放大器，例如MAX4490型）的直流反饋由兩個(gè)100kΩ的電阻器（R3和R4）組成，C2和R5用來衰減直流反饋環(huán)路的音頻頻率。主要音頻反饋元件為R1、R2和C1三個(gè)無源元件。根據(jù)圖中所示的元件值，該電路的-3db截止頻率設(shè)置在5Hz。

       圖3示出一種新穎的輸入耦合配置音頻放大器允許采用較小容值的COG/1206陶瓷電容器作為輸入耦合電容器，以最大限度地降低電壓系數(shù)的影響，適用于便攜式音頻放大器。復(fù)合反饋環(huán)路基本上具有一階的低頻衰減響應(yīng)，但是它民可以調(diào)整為兩階響應(yīng)的高通濾波器。調(diào)整圖3中的相關(guān)無源元件時(shí)需要注意放大電路的過載響應(yīng)和與之相關(guān)的峰值。圖示電路具有近似的最大平坦度高通響應(yīng)。這個(gè)電路可以簡(jiǎn)單運(yùn)用到偽差分和全差分輸入級(jí)放大電路設(shè)計(jì)中。

       圖4所示是圖3音頻放大器的頻率響應(yīng)曲線，頻率低于10Hz時(shí)該電路具有-20db/每10倍頻程的衰減，它的-3db截止頻率位于5Hz附近。圖5所示立體聲耳機(jī)放大器MAX4410彩了一種創(chuàng)新的專利技術(shù)即DirectDrive。盡管采用單電源供電，但其輸出直流電平被設(shè)置在0V，因此，放大器輸出可以采用直流耦合方式直接與耳機(jī)連接。DirectDrive技術(shù)具有如下的優(yōu)勢(shì)：

     ●不需要采用大容量的（100μF~470μF典型值）隔直耦合電容器，避免了電容器的電壓系數(shù)所造成的輸出音頻THD指標(biāo)惡化。

     ●圖5所示電路具有極低的-3db截止頻率，根據(jù)輸入電容和輸入電阻可以計(jì)算出截止頻率為1.6Hz。如果我們考慮標(biāo)準(zhǔn)交流耦合的16Ω耳機(jī)放大器具有同樣的1.6Hz的-3db截止頻率點(diǎn)，那么，需要的耦合電容器容值為6200μF。因此放大器的低頻響應(yīng)幾乎與負(fù)載無關(guān)。

     ●節(jié)省了大容量的交流耦合電容器也節(jié)省了電路板面積。同時(shí)，大容量耦合電容器相對(duì)于MAX4410需要的1μF和2.2μF的小陶瓷電容器來說，價(jià)格也偏高。

     ● 這種輸出架構(gòu)支持吸入和源出（相對(duì)于以地為參考的負(fù)載）負(fù)載電流。MAX4410放大器內(nèi)部集成了電荷泵，它產(chǎn)生一個(gè)與輸入正電源（Vdd）極性相反的負(fù)電源（Pvss）。放大器輸出電壓擺幅將接近2Vdd，是傳統(tǒng)單電源交流耦合耳機(jī)放大器輸出擺幅的2倍。

       圖5所示MAX4410典型的立體聲耳機(jī)放大器應(yīng)用電路。設(shè)置輸入電容Cin等于10μF時(shí)能夠?qū)㈦娙萜麟妷合禂?shù)的影響限制到亞音頻頻率，該電路省略了大容量的輸出耦合電容器。

       在這個(gè)例子中，我們只需選擇一個(gè)合適的輸入耦合電容器（包括容量和介質(zhì)類型）以盡量降低電壓系數(shù)的影響。如果選定10kΩ的輸入電阻器和10μF的輸入陶瓷電容器Cin，那么該電路的-3db截止頻率等于1.6Hz。

       關(guān)于大容量電容器，圖6給出兩種100μF電容器和16電阻器組成的無源高通濾波器的THD+N與頻率的關(guān)系曲線。在100Hz、-3db截止頻率，兩種電容器的電壓系數(shù)均會(huì)導(dǎo)致THD指標(biāo)惡化。100μF的鉭電容器在-3db截止頻點(diǎn)THD+N指標(biāo)為0.2%。如果采用Maxim專有的DirectDrive放大器，因?yàn)槭÷粤诉@個(gè)大容易輸出耦合電容器，可大大改進(jìn)低頻和音頻質(zhì)量。在圖6所示曲線中，MAX4410測(cè)試曲線近似等于參考值。

       圖6所示是兩種不同類型的100μF電容器（鉭電容器和鋁電解電容器），驅(qū)動(dòng)16Ω負(fù)載，-3db截止頻率等于100Hz。Maxim專有的DirectDrive放大器省略了這個(gè)大容量的輸出耦合電容器。

       5 總結(jié)

       模擬音頻電路中的無源元件會(huì)對(duì)音頻質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。我們采用標(biāo)準(zhǔn)的音頻測(cè)試設(shè)備可以簡(jiǎn)單地對(duì)這種不良效果進(jìn)行評(píng)估和檢查。觀察上述不同類型電容器的測(cè)試結(jié)果就會(huì)發(fā)現(xiàn)：锃電解電容器和聚酯電容器具有極低的THD，而X5R陶瓷電容器的THD測(cè)試結(jié)果最差。當(dāng)我們選擇有源器件時(shí)，在音頻通道應(yīng)該盡量減少交流耦合電容器的數(shù)量。例如，對(duì)于耳機(jī)放大器來說選擇差分信號(hào)通路或DirectDrive放大器。如果可能，在設(shè)計(jì)音頻電路的時(shí)候盡量采用低容量的電容器，例如COG或PPS介質(zhì)電容器，可以有效降低電容器電壓系數(shù)的不良影響，同時(shí)將-3db截止頻率設(shè)定到亞音頻范圍內(nèi)。