【導(dǎo)讀】在音頻電路中，無(wú)源元件被用于設(shè)定電路增益、提供偏置和電源抑制、實(shí)現(xiàn)級(jí)間直流隔離等功能。由于便攜式音頻設(shè)備的局限性，其空間、高度和成本都受到了嚴(yán)格限制，迫使設(shè)計(jì)者必須采用小尺寸、低截面和低成本的無(wú)源元件。
使用之前，有必要對(duì)這些器件的音頻效果作一番考察，不恰當(dāng)?shù)脑x擇會(huì)顯著降低系統(tǒng)的性能。一些設(shè)計(jì)者認(rèn)為電阻和電容對(duì)音頻質(zhì)量沒(méi)有什么影響，但實(shí)際情況是，很多在音頻信號(hào)通道上經(jīng)常使用的無(wú)源元件固有的非線性特性會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的總諧波失真(THD)。有些情況下，無(wú)源器件對(duì)于系統(tǒng)的非線性影響甚至超出了諸如放大器和DAC之類(lèi)的有源器件，而后者常常被很多設(shè)計(jì)者看作是音頻性能的主要限制因素。
非線性之源
電容和電阻都存在一種所謂的電壓系數(shù)效應(yīng)，當(dāng)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(shù)值也隨之改變。例如，當(dāng)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(yīng)隨元件的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和(對(duì)于電容)化學(xué)類(lèi)型的不同而有很大差異。有些制造商可以提供電壓系數(shù)信息，以曲線方式給出了電容變化百分比對(duì)應(yīng)額定電壓變化百分比的關(guān)系。
現(xiàn)代薄膜電阻的電壓系數(shù)已非常好，實(shí)驗(yàn)室條件下基本上測(cè)不到。然而，電容則差強(qiáng)人意，會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響：
電壓系數(shù)：如前所述。
- 介電吸收(DA)：類(lèi)似于記憶效應(yīng)，表現(xiàn)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(dāng)串聯(lián)耦合電容驅(qū)動(dòng)低阻抗耳機(jī)或揚(yáng)聲器時(shí)會(huì)限制功率輸出。
- 顫噪效應(yīng)：一些電容有顯著的壓電效應(yīng)，物理應(yīng)力或變形會(huì)在電容兩端產(chǎn)生電壓。
- 誤差較大：多數(shù)大容值電容(幾µF或更大)，通常沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定精度。而電阻就很容易且廉價(jià)地做到1%或2%的容差。
- 下面的討論給出了一種測(cè)試方法，包括一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試電路和現(xiàn)成的音頻測(cè)試設(shè)備，以便評(píng)價(jià)音頻信號(hào)通道上的電容所帶來(lái)的不利影響。我們的目的不是對(duì)某種尺寸、額定電壓或元件類(lèi)型進(jìn)行取舍判定，只是想讓讀者了解這種現(xiàn)象，展示一些有代表性的結(jié)果，并提供了一種測(cè)試手段，以便進(jìn)行合理的比較和判斷。
測(cè)試說(shuō)明
非線性交流響應(yīng)很容易在電容上觀察到。模擬音頻(有必要加以限制)的頻率響應(yīng)在大多數(shù)電路模塊中可分為高通、低通和帶通濾波器，這些濾波器的非線性對(duì)于音頻質(zhì)量有顯著影響。
考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的RC高通濾波器(圖1)。當(dāng)頻率遠(yuǎn)高于-3dB截止頻率時(shí)，電容的阻抗低于電阻。當(dāng)有高頻交流信號(hào)通過(guò)時(shí)，只在電容兩端產(chǎn)生很小的電壓，因此電壓系數(shù)所造成的變化應(yīng)該很小。不過(guò)，信號(hào)電流流過(guò)電容時(shí)，會(huì)在電容的ESR上產(chǎn)生電壓。ESR的非線性達(dá)到一定程度就會(huì)使THD惡化。
圖1. 簡(jiǎn)單的高通RC濾波器
當(dāng)接近-3dB截止頻率時(shí)，電容和電阻的阻抗值達(dá)到同一數(shù)量級(jí)。結(jié)果是在電容兩端產(chǎn)生明顯的交流電壓，同時(shí)又只對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生很小的衰減。此時(shí)，電壓系數(shù)效應(yīng)接近其峰值。
本測(cè)試將聚焦于-3dB截止點(diǎn)的THD，突顯無(wú)源元件的非理想特性(主要源自于其電壓系數(shù)效應(yīng))。測(cè)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)，以便觀察在更換不同結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和類(lèi)型的電容時(shí)，THD+N的惡化情況。考慮到可選電容類(lèi)型的多樣性，選擇1µF容值的電容。它和150Ω的負(fù)載電阻形成了一個(gè)1kHz截止頻率的耳機(jī)濾波器。注意在本測(cè)試中被測(cè)電容兩端沒(méi)有直流偏壓。輸入和輸出有相同的直流電位。
聚酯電容和參考基線
圖2中的THD+N和頻率的關(guān)系曲線給出了測(cè)試裝置的分辨率上限，以及一種25V穿孔式聚酯電容(便攜設(shè)備中不常用)的最小影響。由電壓系數(shù)引起的THD即使有也不是很明顯。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(hào)在頻率低于1kHz時(shí)也下降了，因而降低了由分析儀所記錄的信號(hào)-噪聲(加失真)比率。關(guān)鍵區(qū)域在于1kHz以上，在此區(qū)間聚酯電容的表現(xiàn)良好—僅能測(cè)到相對(duì)于參考基線輕微的惡化。
圖2. 聚酯電容組成的無(wú)源1kHz高通濾波器的THD+N隨頻率的變化曲線，與參考測(cè)量對(duì)比。
鉭電介質(zhì)
便攜設(shè)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µF時(shí)。圖3所示的THD+N和頻率的關(guān)系曲線對(duì)比了三種常見(jiàn)的表面安裝型鉭電容和傳統(tǒng)的穿孔“浸漬”型鉭電容(實(shí)驗(yàn)室中很常見(jiàn))。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。本測(cè)試中電容兩端沒(méi)有施加直流偏壓。
圖3. 不同鉭電容組成的無(wú)源1kHz高通濾波器的THD+N隨頻率變化曲線之對(duì)比
表1. 圖3測(cè)試所用的表面安裝型鉭電容
陶瓷電介質(zhì)
陶瓷電容常用于音頻電路兩級(jí)間的交流耦合、低音增強(qiáng)和濾波電路。不同類(lèi)型電介質(zhì)的特性如圖4所示，對(duì)應(yīng)的元件列于表2。
圖4. 不同陶瓷電容組成的無(wú)源1kHz高通濾波器的THD+N隨頻率變化曲線之對(duì)比
表2. 圖4測(cè)試所用的表面安裝型陶瓷電容
圖4也給出了一種隨意選取的穿孔式陶瓷電容的特性曲線。最差情況是X5R電介質(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(shù)16位音頻DAC和CODEC的THD，相對(duì)于其滿度輸出，至少要比這個(gè)數(shù)值好一個(gè)數(shù)量級(jí)。需要注意的是，C0G電介質(zhì)能夠保證很低的電壓系數(shù)，但它的電容值僅限于0.047µF以下。本測(cè)試要求采用1µF電容，因此C0G型電容沒(méi)有被包含進(jìn)來(lái)。
如何避免電容電壓系數(shù)效應(yīng)的影響
圖5顯示了一種線路輸入拓?fù)?，它采用一種新穎的交流耦合結(jié)構(gòu)，允許采用比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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C0G電介質(zhì)的陶瓷電容，外殼尺寸僅為1206—這種結(jié)構(gòu)使電壓系數(shù)引起的THD減至最小。運(yùn)算放大器(應(yīng)該采用具有低輸入偏置電流的器件，如MAX4490)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(shù)值時(shí)，-3dB截止頻率為5Hz。
圖5. 這種新穎的線路輸入級(jí)降低了電壓系數(shù)效應(yīng)的不良影響。將傳統(tǒng)的交流耦合電容插入到放大器的誤差通道降低了該電容的容量要求，允許在便攜式設(shè)計(jì)中選用C0G電容。
這種復(fù)合反饋有一個(gè)一階低頻響應(yīng)，但在高通截止頻率附近可能會(huì)被調(diào)諧成二階響應(yīng)。因此，在對(duì)圖5所示的元件值作調(diào)整時(shí)，一定要特別注意其過(guò)沖和波峰。本例中的元件值可給出接近于最大平直度的高通響應(yīng)函數(shù)。這個(gè)原理電路經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改后很容易應(yīng)用到準(zhǔn)差分(地感應(yīng))和全差分輸入級(jí)。
圖6. 圖5所示電路的頻率響應(yīng)，可看到10Hz以下為光滑的下降曲線，-3dB點(diǎn)為5Hz。隨著頻率的降低，最終的滾降速率為20dB/十倍頻。
圖7所示的立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)IC (MAX4410)采用一種創(chuàng)新技術(shù)，稱為DirectDrive®，工作于單一正電源時(shí)，卻可將輸出偏置設(shè)定在0V，這樣，就可以用直流耦合方式驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。它有以下一些優(yōu)點(diǎn)：
- 省掉了大尺寸的隔直電容(100µF至470µF)，同時(shí)也消除了一個(gè)由電壓系數(shù)引起的主要的THD來(lái)源。
- 更低的-3dB截止頻率，現(xiàn)在，由輸入電容和輸入電阻決定，按照?qǐng)D7所示，大約在1.6Hz，但若采用交流耦合方式驅(qū)動(dòng)16Ω耳機(jī)，要實(shí)現(xiàn)1.6Hz的-3dB點(diǎn)就需要大約6200µF的電容。此外，低頻響應(yīng)也不再和負(fù)載相關(guān)了。
- 省掉大尺寸電容顯著節(jié)省了PCB面積。而且和MAX4410的充電泵電路中所用的1µF和2.2µF陶瓷電容相比，這種電容是很昂貴的。
- 對(duì)于一個(gè)參照于地的負(fù)載，為了使輸出級(jí)能夠吸收和源出負(fù)載電流，芯片產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)部的負(fù)電源來(lái)驅(qū)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(tǒng)的單電源、交流耦合耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的兩倍。
圖7. 在這個(gè)立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器MAX4410的典型應(yīng)用電路中，設(shè)定CIN為10µF，將任何電壓系數(shù)效應(yīng)限制在次聲波頻段。輸出端不再需要大容量耦合電容。
在本例中，我們已給出了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法來(lái)降低輸入電容的電壓系數(shù)效應(yīng)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，選用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(shù)非線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(shù)量級(jí)。
再來(lái)考察一下更大容值的電容，圖8對(duì)比了兩種類(lèi)型的100µF電容，當(dāng)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(shù)效應(yīng)產(chǎn)生顯著的THD。100µF鉭電容在-3dB截止點(diǎn)產(chǎn)生的THD+N是0.2%，等同于圖4中性能最差的陶瓷電容。利用Maxim的DirectDrive或類(lèi)似技術(shù)，摒棄這些音頻通道上的器件，將顯著改善音頻品質(zhì)，在低頻段尤為顯著。在圖8中，參考曲線出自MAX4410 (測(cè)量極限)。
圖8. 采用100µF大容量電容驅(qū)動(dòng)16Ω負(fù)載時(shí)的THD+N和頻率關(guān)系圖。兩種電容(鋁電解和鉭電解)在100Hz的-3dB點(diǎn)都產(chǎn)生了嚴(yán)重的THD。Maxim的DirectDrive耳機(jī)放大器不再需要這樣的輸出耦合電容。
總結(jié)
無(wú)源器件會(huì)給模擬音頻通帶來(lái)顯著的、可測(cè)量的性能惡化。這種效應(yīng)很容易用標(biāo)準(zhǔn)的音頻測(cè)試裝置測(cè)試和評(píng)價(jià)。在已經(jīng)過(guò)測(cè)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。
選擇有源器件時(shí)，應(yīng)注意盡可能減少模擬音頻電路中交流耦合電容的數(shù)量。例如，可以采用差分信號(hào)或DirectDrive器件(如MAX4410)來(lái)饋送耳機(jī)。如果可能的話，在設(shè)計(jì)音頻電路時(shí)應(yīng)盡可能使用小容值電容，這樣就可以使用C0G或PPS電容。為了減小交流耦合音頻電路中電壓系數(shù)的影響，可將-3dB點(diǎn)降低到遠(yuǎn)低于實(shí)際需求的位置，例如10倍頻，將可能產(chǎn)生問(wèn)題的頻率限制在次聲波頻段。
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