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。图2 ●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

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