便携式设备中的无源元件对音频质量的影响

       在音频电路设计中通常采用无源元件设置增益，提供电流偏置和电流退耦，并用来分隔相对独立的直流电路模块。而对于便携式音频设计，因为受到空间、高度和价格的限制，必须采用小封装、低高度和低价格的无源元件。

       1 非线性的来源

       电容器和电阻器都具有电压系数，就是说如果在其两端施加不同的电压时其物理参数会发生变化。例如，一个在零电压下精确阻值为1.00kΩ的电阻器，如果施加10V的端电压，那么，它的阻值将变为1.01kΩ。电压系数的影响程度取决于元件的类型、结构和化学成分（对于电容器）。有些生活厂家会提供元件的电压系数曲线图，给出标称电压百分比和标称电容器百分比的关系曲线。新一代薄膜电阻器具有非常好的电压系数，实验室条件下很难测量其误差。电容器则不同，从以下几方面来看将会限制音频性能。

      ●电压系数。

      ●介质吸收（DA）：一个看似完全放电的电容器仍然会有极少量的电荷残留。

      ●等效串联阻抗（ESR）：这是一个与频率相关的参数，一个经串联耦合电容器驱动的低阻抗耳机或扩音器，由于耦合电容器存在ESR将会限制最大输出功率。

      ●颤噪效应：有一些电容器具有有显著的压电效应，但它受到外部压力弯曲时，会在两端产生相应的电压输出。

      ●公差：对于多数大容量的电容器（几微法或者更高），一般很少标注公差值。而电阻器的公差一般为1%~2%。

       下面介绍一种测试方法，同时也包括简单的测试电路。从音频测试设备显示结果来看，要吧清楚地量化音频信号电路的电容器非常线性对音频质量的影响。我们的目的主要是提醒读者注意这种现象，仔细观察这种有代表性的结果，并且提供一种有效的测试和比较方法。

       2 测试方法

       电容器的非线性交流效应比较容易发现。如果以模拟音频电路的频率响应来划分，最基本的滤波器包括高通、低通和带通三种，这些滤波器的非线性特性是真实的并且是可以量化的。

       考虑一个简单的高速RC滤波器（见图1）。当输入信号频率高于它的-3db截止频率时，电容器相对于电阻器来说具有很低的阻抗。如此高频的交流信号在电容器两端会产生非常小的压差，那么电容电压系数的影响就可以忽略。但是电容器的等效串联电阻（ESR）与输入信号电流的乘积会在电容器上产生相应的压降，必须注意ESR的非线性会增大电路的总谐波失真（THD）。

       当信号频率接受或等于-3db截止频率的总谐波失真（THD），这种测试突出了电容器电压系数的非线性特性对THD的影响。测试电路基于一个-3db截止频率为1kHz的高通RC滤波器。当我们选择不同结构、不同材料及不同类型的电容器时，在音频分析仪上观察THD的变化情况。我们选择了多种类型的1μF的电容器进行测试。配合150Ω的负载电阻器，构成一个标称截止频率等于1kHz的耳机滤波器。需要注意的是电容器两端没有额外的直流偏置，输入/输出具有同样的直流电位。

       3 不同电容器的测量结果

       图2给出上述电路的THD+N与频率的关系曲线，图（a）选用的是聚酯电容器，额定电压为25V的通孔聚酯电容器并不适用于便携式设备。从该图可以清楚地看出电容器电压系数对总谐波失真THD的影响。注意聚酯电容器将导致1kHz频率以下THD的升高，实际输出信号减小。另外，我们注意到频率高于1kHz以后聚酯电容器造成的影响非常小，TND+N指标只是略微高于参考值。

       便携式设备中大量使用钽电容器，耳机放大器的隔直流电容通常要在几个μF以上。图(b)

       是另外一个THD+N与频率的关系曲线，它包含一个传统的通也钽电容器测试曲线和三个普通的表贴型钽电容器测试曲线。所有电容器的容值都是1μF，所不同的只是物理尺寸和额定

       电压（请参考表1）。注意测试时没有施加直流偏置电压。

       在音频电路中经常采用陶瓷电容器作为交流耦合元件，在低频提升和滤波电路中也大量使用。图2(C)所示测试曲线类似于图2(b)，所不同的只是采用了表2给出的三种陶瓷电容器做测试。

       表1 三种表贴型钽电容器的参数

       电容值/μF 尺寸L×W/mm 额定电压/V 
       1 A(3.2x1.6) 25 
       1 B(3.5x2.8) 35 
       1 C（6.0x3.2） 50

       表2 三种表贴型陶瓷电容的参数

       电容值/μF 尺寸L×W/mm 额定电压/V 介质类型 
       1 0603 10 X5R 
       1 0805 16 X7R 
       1 1206 16 X7R

       图2(c)同样给出了一个随机选取的能孔陶瓷电容器的测试曲线。从图上观察，对于X5R的陶瓷电容器来说，在-3db截止频率(1kHz点)附近最差的THD+N值为0.2%,相当于-54db的失真。大多数16位音DAC和编解码器（CODEC）的THD指标都优于这个数值。在这里，我们需要注意COG介质电容器具有非常低的电压系数，但它的最大电容量受到限制，通常最大值只有0.047μF。上述测试用了1μF电容器，所以没有包括COG电容器。

       4 怎样避免电容器电压系数的影响

       图3所示音频放大器采用了一种新颖的交流耦合方式，它与传统的耦合电路配置相比只需要非常小的耦合电容器。图中输入电容器（C1）的容量仅为0.047μF。因此，我们可以采用电压系数非常低的COG/1206陶瓷电容器这样可以最大限度地降低电压系数的影响。运算放大器（必须采用低偏置电流的放大器，例如MAX4490型）的直流反馈由两个100kΩ的电阻器（R3和R4）组成，C2和R5用来衰减直流反馈环路的音频频率。主要音频反馈元件为R1、R2和C1三个无源元件。根据图中所示的元件值，该电路的-3db截止频率设置在5Hz。

       图3示出一种新颖的输入耦合配置音频放大器允许采用较小容值的COG/1206陶瓷电容器作为输入耦合电容器，以最大限度地降低电压系数的影响，适用于便携式音频放大器。复合反馈环路基本上具有一阶的低频衰减响应，但是它民可以调整为两阶响应的高通滤波器。调整图3中的相关无源元件时需要注意放大电路的过载响应和与之相关的峰值。图示电路具有近似的最大平坦度高通响应。这个电路可以简单运用到伪差分和全差分输入级放大电路设计中。

       图4所示是图3音频放大器的频率响应曲线，频率低于10Hz时该电路具有-20db/每10倍频程的衰减，它的-3db截止频率位于5Hz附近。图5所示立体声耳机放大器MAX4410彩了一种创新的专利技术即DirectDrive。尽管采用单电源供电，但其输出直流电平被设置在0V，因此，放大器输出可以采用直流耦合方式直接与耳机连接。DirectDrive技术具有如下的优势：

     ●不需要采用大容量的（100μF~470μF典型值）隔直耦合电容器，避免了电容器的电压系数所造成的输出音频THD指标恶化。

     ●图5所示电路具有极低的-3db截止频率，根据输入电容和输入电阻可以计算出截止频率为1.6Hz。如果我们考虑标准交流耦合的16Ω耳机放大器具有同样的1.6Hz的-3db截止频率点，那么，需要的耦合电容器容值为6200μF。因此放大器的低频响应几乎与负载无关。

     ●节省了大容量的交流耦合电容器也节省了电路板面积。同时，大容量耦合电容器相对于MAX4410需要的1μF和2.2μF的小陶瓷电容器来说，价格也偏高。

     ● 这种输出架构支持吸入和源出（相对于以地为参考的负载）负载电流。MAX4410放大器内部集成了电荷泵，它产生一个与输入正电源（Vdd）极性相反的负电源（Pvss）。放大器输出电压摆幅将接近2Vdd，是传统单电源交流耦合耳机放大器输出摆幅的2倍。

       图5所示MAX4410典型的立体声耳机放大器应用电路。设置输入电容Cin等于10μF时能够将电容器电压系数的影响限制到亚音频频率，该电路省略了大容量的输出耦合电容器。

       在这个例子中，我们只需选择一个合适的输入耦合电容器（包括容量和介质类型）以尽量降低电压系数的影响。如果选定10kΩ的输入电阻器和10μF的输入陶瓷电容器Cin，那么该电路的-3db截止频率等于1.6Hz。

       关于大容量电容器，图6给出两种100μF电容器和16电阻器组成的无源高通滤波器的THD+N与频率的关系曲线。在100Hz、-3db截止频率，两种电容器的电压系数均会导致THD指标恶化。100μF的钽电容器在-3db截止频点THD+N指标为0.2%。如果采用Maxim专有的DirectDrive放大器，因为省略了这个大容易输出耦合电容器，可大大改进低频和音频质量。在图6所示曲线中，MAX4410测试曲线近似等于参考值。

       图6所示是两种不同类型的100μF电容器（钽电容器和铝电解电容器），驱动16Ω负载，-3db截止频率等于100Hz。Maxim专有的DirectDrive放大器省略了这个大容量的输出耦合电容器。

       5 总结

       模拟音频电路中的无源元件会对音频质量产生不良影响。我们采用标准的音频测试设备可以简单地对这种不良效果进行评估和检查。观察上述不同类型电容器的测试结果就会发现：锃电解电容器和聚酯电容器具有极低的THD，而X5R陶瓷电容器的THD测试结果最差。当我们选择有源器件时，在音频通道应该尽量减少交流耦合电容器的数量。例如，对于耳机放大器来说选择差分信号通路或DirectDrive放大器。如果可能，在设计音频电路的时候尽量采用低容量的电容器，例如COG或PPS介质电容器，可以有效降低电容器电压系数的不良影响，同时将-3db截止频率设定到亚音频范围内。