- 音頻電路非線性的來源
- 非線性交流效應測試方法
- 怎樣避免電容器電壓系數(shù)的影響
- 采用電壓系數(shù)非常低的陶瓷電容器
- 計算標準交流耦合的截止頻率點
- 選擇合適的輸入耦合電容器降低電壓系數(shù)的影響
在音頻電路設計中通常采用無源元件設置增益，提供電流偏置和電流退耦，并用來分隔相對獨立的直流電路模塊。而對于便攜式音頻設計，因為受到空間、高度和價格的限制，必須采用小封裝、低高度和低價格的無源元件。
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其物理參數(shù)會發(fā)生變化。例如，一個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)和化學成分（對于電容器）。有些生活廠家會提供元件的電壓系數(shù)曲線圖，給出標稱電壓百分比和標稱電容器百分比的關系曲線。新一代薄膜電阻器具有非常好的電壓系數(shù)，實驗室條件下很難測量其誤差。電容器則不同，從以下幾方面來看將會限制音頻性能。
●電壓系數(shù)。
●介質(zhì)吸收（DA）：一個看似完全放電的電容器仍然會有極少量的電荷殘留。
●等效串聯(lián)阻抗（ESR）：這是一個與頻率相關的參數(shù)，一個經(jīng)串聯(lián)耦合電容器驅(qū)動的低阻抗耳機或擴音器，由于耦合電容器存在ESR將會限制最大輸出功率。
●顫噪效應：有一些電容器具有有顯著的壓電效應，但它受到外部壓力彎曲時，會在兩端產(chǎn)生相應的電壓輸出。
●公差：對于多數(shù)大容量的電容器（幾微法或者更高），一般很少標注公差值。而電阻器的公差一般為1%~2%。
下面介紹一種測試方法，同時也包括簡單的測試電路。從音頻測試設備顯示結(jié)果來看，要吧清楚地量化音頻信號電路的電容器非常線性對音頻質(zhì)量的影響。我們的目的主要是提醒讀者注意這種現(xiàn)象，仔細觀察這種有代表性的結(jié)果，并且提供一種有效的測試和比較方法。[page]
2測試方法
電容器的非線性交流效應比較容易發(fā)現(xiàn)。如果以模擬音頻電路的頻率響應來劃分，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的并且是可以量化的。
考慮一個簡單的高速RC濾波器（見圖1）。當輸入信號頻率高于它的-3db截止頻率時，電容器相對于電阻器來說具有很低的阻抗。如此高頻的交流信號在電容器兩端會產(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）與輸入信號電流的乘積會在電容器上產(chǎn)生相應的壓降，必須注意ESR的非線性會增大電路的總諧波失真（THD）。
當信號頻率接受或等于-3db截止頻率的總諧波失真（THD），這種測試突出了電容器電壓系數(shù)的非線性特性對THD的影響。測試電路基于一個-3db截止頻率為1kHz的高通RC濾波器。當我們選擇不同結(jié)構(gòu)、不同材料及不同類型的電容器時，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的電容器進行測試。配合150Ω的負載電阻器，構(gòu)成一個標稱截止頻率等于1kHz的耳機濾波器。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不同電容器的測量結(jié)果
圖2給出上述電路的THD+N與頻率的關系曲線，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備。從該圖可以清楚地看出電容器電壓系數(shù)對總諧波失真THD的影響。注意聚酯電容器將導致1kHz頻率以下THD的升高，實際輸出信號減小。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指標只是略微高于參考值。
便攜式設備中大量使用鉭電容器，耳機放大器的隔直流電容通常要在幾個μF以上。圖(b)是另外一個THD+N與頻率的關系曲線，它包含一個傳統(tǒng)的通也鉭電容器測試曲線和三個普通的表貼型鉭電容器測試曲線。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（請參考表1）。注意測試時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試。
表1三種表貼型鉭電容器的參數(shù)
表2三種表貼型陶瓷電容的參數(shù)
圖2(c)同樣給出了一個隨機選取的能孔陶瓷電容器的測試曲線。從圖上觀察，對于X5R的陶瓷電容器來說，在-3db截止頻率(1kHz點)附近最差的THD+N值為0.2%,相當于-54db的失真。大多數(shù)16位音DAC和編解碼器（CODEC）的THD指標都優(yōu)于這個數(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。上述測試用了1μF電容器，所以沒有包括COG電容器。
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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）的容量僅為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。復合反饋環(huán)路基本上具有一階的低頻衰減響應，但是它民可以調(diào)整為兩階響應的高通濾波器。調(diào)整圖3中的相關無源元件時需要注意放大電路的過載響應和與之相關的峰值。圖示電路具有近似的最大平坦度高通響應。這個電路可以簡單運用到偽差分和全差分輸入級放大電路設計中。
圖4所示是圖3音頻放大器的頻率響應曲線，頻率低于10Hz時該電路具有-20db/每10倍頻程的衰減，它的-3db截止頻率位于5Hz附近。圖5所示立體聲耳機放大器MAX4410彩了一種創(chuàng)新的專利技術即DirectDrive。盡管采用單電源供電，但其輸出直流電平被設置在0V，因此，放大器輸出可以采用直流耦合方式直接與耳機連接。DirectDrive技術具有如下的優(yōu)勢：
●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算出截止頻率為1.6Hz。如果我們考慮標準交流耦合的16Ω耳機放大器具有同樣的1.6Hz的-3db截止頻率點，那么，需要的耦合電容器容值為6200μF。因此放大器的低頻響應幾乎與負載無關。
●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，大容量耦合電容器相對于MAX4410需要的1μF和2.2μF的小陶瓷電容器來說，價格也偏高。
●這種輸出架構(gòu)支持吸入和源出（相對于以地為參考的負載）負載電流。MAX4410放大器內(nèi)部集成了電荷泵，它產(chǎn)生一個與輸入正電源（Vdd）極性相反的負電源（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放大器輸出擺幅的2倍。
圖5所示MAX4410典型的立體聲耳機放大器應用電路。設置輸入電容Cin等于10μF時能夠?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。
在這個例子中，我們只需選擇一個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與頻率的關系曲線。在100Hz、-3db截止頻率，兩種電容器的電壓系數(shù)均會導致THD指標惡化。100μF的鉭電容器在-3db截止頻點THD+N指標為0.2%。如果采用Maxim專有的DirectDrive放大器，因為省略了這個大容易輸出耦合電容器，可大大改進低頻和音頻質(zhì)量。在圖6所示曲線中，MAX4410測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16Ω負載，-3db截止頻率等于100Hz。Maxim專有的DirectDrive放大器省略了這個大容量的輸出耦合電容器。
模擬音頻電路中的無源元件會對音頻質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。我們采用標準的音頻測試設備可以簡單地對這種不良效果進行評估和檢查。觀察上述不同類型電容器的測試結(jié)果就會發(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測試結(jié)果最差。當我們選擇有源器件時，在音頻通道應該盡量減少交流耦合電容器的數(shù)量。例如，對于耳機放大器來說選擇差分信號通路或DirectDrive放大器。如果可能，在設計音頻電路的時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，同時將-3db截止頻率設定到亞音頻范圍內(nèi)。
