便携式设备中的无源元件对音频质量的影响.docx
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使用无源元件设置增益,提供电流偏置与电流退耦，并用来分隔相对独立的直流电路模块。而关于便携式音频设计，由于受到空间、高度与价格的限制，务必使用小封装、低高度与低价格的无源元件。1非线性的来源电容器与电阻器都具有电压系数，就是说假如在其两端施加不一致的电压时其物理参数会发生变化。比如，一个在零电压下精确阻值为1.0OkQ的电阻器，假如施图1简单的高通RC滤波器加IoV的端电压，那么，它的阻值将变为1.01k。电压系数的影响程度取决于元件的类型、结构与化学成分（关于电容器）。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与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。电容器则不一致，从下列几方面来看将会限制音频性能。电压系数。介质汲取（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）：这是一个与频率有关的参数，一个经串联耦合电容器驱动的低阻抗耳机或者扩音器，由于耦合电容器存在ESR将会限制最大输出功率。下面介绍一种测试方法，同时也包含简单的测试电路。从音频测试设备显示结果来看，要吧清晰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。我们的目的要紧是提醒读者注意这种现象，认真观察这种有代表性的结果，同时提供一种有效的测试与比较方法。2测试方法电容器的非线性交流效应比较容易发现。假如以模拟音频电路的频率响应来划分，最基本的滤波器包含高通、低通与带通三种，这些滤波器的非线性特性是真实的同时是能够量化的。考虑一个简单的高速RC滤波器（见图1）o当输入信号频率高于它的3db截止频率时，电容器相关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能够忽略。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，务必注意ESR的非线性会增大电路的总谐波失真（THD）。R2EZI15kQR3R4OUT图3输入耦合配置音频放大器当信号频率同意或者等于-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。当我们选择不一致结构、不一致材料及不一致类型的电容器时，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1F的电容器进行测试。配合150。的负载电阻器，构成一个标称截止频率等于IkHZ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不一致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。从该图能够清晰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IkHZ频率下列THD的升高，实际输出信号减小。另外，我们注意到频率高于IkHZ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锂电容器,耳机放大器的隔直流电容通常要在几个F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铝电容器测试曲线与三个普通的表贴型铝电容器测试曲线。所有电容器的容值都是1F,所不一致的只是物理尺寸与额定电压(请参考表1)。注意测试时没有施加直流偏置电压。在音频电路中经常使用陶瓷电容器作为交流耦合元件,在低频提升与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),所不一致的只是使用了表2给出的三种陶瓷电容器做测试。表1三种表贴型但电容器的参数电容值F尺寸1×Wmm额定电压/V1A(3.2x1.6)251B(3.5x2.8)351C(6.0x3.2)50表2三种表贴型陶瓷电容的参数电容值F尺寸1×Wmm额定电压/V介质类型1060310X5R1080516X7R1120616X7R图2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，关于X5R的陶瓷电容器来说，在-3db截止频率（IkHZ点）邻近最差的THD+N值为0.2%,相当于54db的失真。大多数16位音DAC与编解码器（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0047F0上述测试用了1F电容器，因此没有包含COG电容器。4如何避免电容器电压系数的影响图3所示音频放大器使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0.047F°因此，我们能够使用电压系数非常低的COG/1206陶瓷电容器这样能够最大限度地降低电压系数的影响。运算放大器（务必使用低偏置电流的放大器，比如MAX4490型）的直流反馈由两个IOOk。的电阻器（R3与R4）构成，C2与R5用来衰减直流反馈环路的音频频率。要紧音频反馈元件为R1、R2与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5HZo图4音频放大器的频率响应曲线图3示出一种新颖的输入耦合配置音频放大器同意使用较小容值的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，但是它民能够调整为两阶响应的高通滤波器。调整图3中的有关无源元件时需要注意放大电路的过载响应与与之有关的峰值。图示电路具有近似的最大平坦度高通响应。这个电路能够简单运用到伪差分与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IOHZ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邻近。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DirectDriveo尽管使用单电源供电，但其输出直流电平被设置在0V,因此，放大器输出能够使用直流耦合方式直接与耳机连接。DireCtDriVe技术具有如下的优势： 不需要使用大容量的（IoOF470F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，根据输入电容与输入电阻能够计算出截止频率为16Hz0假如我们考虑标准交流耦合的16。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6200F。因此放大器的低频响应几乎与负载无关。 节约了大容量的交流耦合电容器也节约了电路板面积。同时，大容量耦合电容器相关于MAX4410需要的1F与2.2F的小陶瓷电容器来说，价格也偏高。在这个例子中，我们只需选择一个合适的输入耦合电容器（包含容量与介质类型）以尽量降低电压系数的影响。假如选定IOkQ的输入电阻器与10F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100F电容器与16电阻器构成的无源高通滤波器的THD+N与频率的关系曲线。在IoOHz、3db截止频率，两种电容器的电压系数均会导致THD指标恶化。10OF的锂电容器在3db截止频点THD+N指标为0.2%。假如使用Maxim专有的DirectDrive放大器，由于省略了这个大容易输出耦合电容器，可大大改进低频与音频质量。在图6所示曲线中，MAX4410测试曲线近似等于参考值。图6所示是两种不一致类型的100F电容器（铝电容器与铝电解电容器），驱动16Q负载，-3db截止频率等于IOoHz。MaXim专有的DirectDrive放大器省略了这个大容量的输出耦合电容器。100.00110100频率/Hz1000O.0.0*N+H1图6MAX4410的测试曲线参考值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。我们使用标准的音频测试设备能够简单地对这种不良效果进行评估与检查。观察上述不一致类型电容器的测试结果就会发现：锂电解电容器与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。比如，关于耳机放大器来说选择差分信号通路或者DireCtDriVe放大器。假如可能，在设计音频电路的时候尽量使用低容量的电容器，比如COG或者PPS介质电容器，能够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。
