【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)隨元件的類型、結(jié)構(gòu)和(對(duì)于電容)化學(xué)類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)成分和類型的電容時(shí)，THD+N的惡化情況?？紤]到可選電容類型的多樣性，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)。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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