阻容元件對音頻放大器的影響及其選用

摘要：阻容元件是在音響設(shè)備中使用量最大的無源器件，近年來國內(nèi)的音響制造商，在設(shè)計(jì)音源(CD或DVD)、功率放大器的過程中，非常重視集成塊(IC)、晶體三極管、場效應(yīng)管及電子管等有源器件的選用，在電路設(shè)計(jì)、產(chǎn)品工藝等方面取得了長足的進(jìn)步。但在高附加值的HI-END級音響產(chǎn)品領(lǐng)域，與歐美國家存在較大的差距。原因之一是對電阻、電容等無源器件的選用重視不夠。為了提高音響設(shè)備的重放效果，通過對阻容元件的分析、研究，采用同一套音響設(shè)備、不同的阻容元件進(jìn)行比較測試，發(fā)現(xiàn)阻容元件對音響設(shè)備的影響不容小視，合理選擇阻容元件可提高音響設(shè)備的性能指標(biāo)和重放效果。
關(guān)鍵詞：電阻器；電容器；影響；選用

    音響設(shè)備主要由音源(CD或DVD)、前級均衡放大器(功放前級)和后級功率放大器(功放后級)組成，以上設(shè)備中的音頻放大部分基本采用集成塊(IC)和分立元件兩種模式。集成塊模式大多由集成運(yùn)算放大器和阻容元件組成，而分立元件模式大多由晶體三極管、場效應(yīng)管或電子管和阻容元件組成。一直以來，我們在設(shè)計(jì)音響設(shè)備的時(shí)候，非常重視集成塊(IC)、晶體三極管、場效應(yīng)管或電子管有源器件的選用，而對電阻、電容等無源器件的選用就比較隨便。不少人認(rèn)為阻容元件對聲音影響不大，的確，在要求不高的場合，如一般的家庭影院、電腦音響、彩電的伴音電路，可采用普通的阻容元件；但在高端音頻設(shè)備中，必須慎重地選擇電阻、電容等元器件，否則，就難以達(dá)到HI-FI或HI-END的水準(zhǔn)。

1 關(guān)于電阻器
    電阻器是各種電路中使用量最多的器件，在HI-FI或HI-END設(shè)備中，電阻器的選用將直接影響設(shè)備的性能指標(biāo)，如信噪比、保真度等。進(jìn)入工作狀態(tài)的電阻器會產(chǎn)生噪聲，噪聲大小取決于電阻值、溫度、施加的電壓以及電阻器類型。電阻器總噪聲由多個(gè)成分組成。與各種音頻電路密切相關(guān)的是熱噪聲和電流噪聲。
1．1 電阻器的熱噪聲
    在電阻器中，由于電子的不規(guī)則熱運(yùn)動，在一個(gè)足夠小的體積內(nèi)，電子濃度的瞬時(shí)值存在不規(guī)則的起伏，電位也發(fā)生不規(guī)則的起伏，因此，電阻體任意兩小塊體積之間就形成一個(gè)起伏的電位差，這就是電阻的熱噪聲。在頻率特性上，它屬于白噪聲，即頻譜等幅均勻分布的，如圖1所示。在頻寬內(nèi)，熱噪聲的均方根值可表示為
    ST=4kTR△f……       (1)

    式中：R為電阻器的電阻值，單位為Ω；T為電阻器溫度單位為K；k=1．380 7×10-23 J／K為玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)。上式表明，電阻器的熱噪聲與電阻材料無關(guān)，與電阻值、溫度和頻寬成正比。熱噪聲是一種不可抑制的物理現(xiàn)象，在任何類型的電阻器中都存在，不能通過改變電阻器的質(zhì)量來消除。
1．2 電阻器的電流噪聲
    電阻器的電流噪聲與電阻材料、工藝、類型(非線性大小)具有直接關(guān)系。電阻器的非線性反映電阻體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不致密和不連續(xù)(非均質(zhì))的程度，因此在一定程度上反映了電阻器質(zhì)量的好壞。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)電阻器都存在一定的非線性。對于非線性電阻器，電流噪聲的均方根值可表示為：
   
    式中，K是取決于電阻元件材料及其制造工藝的常數(shù)，U是電阻器兩端的直流電壓降，△f為頻寬，為信號頻率。上式表明，在一定的△f頻寬內(nèi)，電流噪聲SE與電阻器上的直流電壓降U的平方成正比，與頻率成反比。當(dāng)U、R、△f確定之后，電流噪聲SE與頻率f的關(guān)系可用圖2來表示。

    電阻器中電流噪聲等級通常用噪聲指數(shù)[NI]dB來表示
   
    式中，u是帶寬上的均方根噪聲電壓，而U是電阻器上的直流電壓降，u和U的測量單位均是V。[NI]的單位是dB。
    圖3為商用電阻器的平均噪聲指數(shù)。圖中，基于復(fù)合電阻材料(如碳和厚膜)的電阻器的電流噪聲等級最高。這是由于這些電阻元件材料的顯著非均質(zhì)性造成的。這些復(fù)合材料中的導(dǎo)電路徑是由隔離矩陣中相互接觸的導(dǎo)電粒子形成的。當(dāng)電流流經(jīng)這些“接觸位置”中的不穩(wěn)定接觸點(diǎn)時(shí)，它們便產(chǎn)生噪聲。而薄膜電阻具有相當(dāng)強(qiáng)的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此噪聲較低。薄膜是通過在陶瓷基板上蒸發(fā)或者噴濺電阻材料

    (例如：氮化鉭TaN、硅鉻SiCr和鎳鉻NiCr)沉積形成的。金屬箔電阻和繞線電阻的噪聲等級最低。這兩類電阻器一般采用合金材料制成，而合金材料的致密性、勻質(zhì)性較好，因此噪聲低；其噪聲主要來自電阻體與電阻引腳接合點(diǎn)處，可能產(chǎn)生額外的噪聲。然而，繞線電阻器的主要缺陷是其電感，在使用中需格外關(guān)注。

2 關(guān)于電容器
    在音頻信號產(chǎn)生的交變電場作用下，電容器表現(xiàn)出復(fù)雜的阻抗性質(zhì)，一個(gè)電容器可以用一個(gè)RLC串聯(lián)電路來等效，等效電路如圖4所示。圖中，C為等效電容，L為等效串聯(lián)電感(ESL)，r等效串聯(lián)電阻(ESR)?？捎孟铝凶杩故奖硎荆?br />    
    式中：ω=2π

    當(dāng)音頻信號頻率上升時(shí)，電容器的容抗減小、感抗增大，XL>XC，等效電路呈現(xiàn)電感性，并且頻率越高，感抗越大，如圖5中右側(cè)曲線；當(dāng)頻率下降時(shí)，容抗增大、感抗減小，XC>XL，等效電路呈現(xiàn)電容性，頻率越低，容抗越大，見圖5左側(cè)曲線；當(dāng)f=f0時(shí)，XC=XL，RLC電路發(fā)生串聯(lián)諧振，等效阻抗為r。因此電容器的阻抗隨頻率變化具有U型特性，如圖5所示。從圖5中可知，電容器的工作頻率上限fH<f0，當(dāng)f≥f0時(shí)，電容器已失效。

    等效串聯(lián)電感(ESL)的存在給電容器的性能產(chǎn)生不良的影響：1)限制了電容器的上限工作頻率，電容器的等效電感越大，工作頻率越低；2)影響甚至改變輸入脈沖電壓的波形；3)影響電容器充放電的速度。4)等效串聯(lián)電阻(ESR)會給電容器帶來損耗。
    對于陶瓷電容器，它是以陶瓷作為電容的介質(zhì)。由于陶瓷材料具有壓電特性，所以當(dāng)陶瓷電容C兩端的電壓改變時(shí)，其容量也發(fā)生改變。以常見1 000 pF的陶瓷電容為例，據(jù)測試，當(dāng)陶瓷電容C兩端的電壓從0～15 V變化時(shí)，其容量C從963～982 pF變化。

    若以陶瓷電容C組成一個(gè)RC耦合電路，如圖6所示。在輸入端輸入正弦波，在波峰或波谷到來時(shí)，電容器的偏壓最大，而在0軸時(shí)偏壓最小。一個(gè)周期的信號通過電容器時(shí)，電容器的容量經(jīng)歷一個(gè)由小到大，再由大到小的變化過程。RC耦合電路的輸出電壓表達(dá)式為：
   
    若輸入的是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，則輸出的波形將發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波失真，表明陶瓷電容具有非線性特征?？疾焐鲜剑谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)，信號頻率越高，容抗就越小，當(dāng)XC<<R時(shí)，Vo=Vi，電容器的影響就可以忽略，這時(shí)輸出波形就接近輸入波形。也就是說，陶瓷電容的低頻失真大，而高頻失真相對較小。壓電效應(yīng)對于電壓敏感的陶瓷電容是引起諧波失真的主要原因。而對電壓不敏感的薄膜類電容，由于介質(zhì)損耗，等效串聯(lián)電阻、電感等因素同樣會引起非線性失真，只是失真的數(shù)量級較低，人耳不易察覺而已。

3 阻容元件對音響設(shè)備的影響
    在常溫下，設(shè)音源中音頻放大電路有一阻值為10 kΩ的電阻，則當(dāng)音響設(shè)備音源、功放的帶寬為20 kHz時(shí)，電阻的熱噪聲電熱約為1．5 μV，電流噪聲約為0．5μV，合計(jì)約為2μV；此時(shí)，假設(shè)音源CD唱機(jī)音頻放大電路的電壓增益為20 dB，功放前級的電壓增益為20 dB，功放后級的電壓增益為20 dB，音響設(shè)備總的電壓增益為60 dB，即電壓放大倍數(shù)為1 000倍，則功放輸出的噪聲電壓為Vo=2μVx1 000=2 mV。隨著溫度的上升，輸出的噪聲電壓將大于2 mV。
    如果音源的音頻放大部分采用RC耦合電路，音源輸出信號的諧波失真為0．05％，功放前后級總的電壓增益為40 dB，即電壓放大倍數(shù)為100倍，則功放輸出信號的諧波失真為100x0．05％=5％。若采用陶瓷電容，則諧波失真會更大。另外，電容器的等效串聯(lián)電阻、電感還會影響電容器充放電的速度，引起音頻信號的瞬態(tài)失真。
    對于普通的音響設(shè)備來說，輸出的噪聲電壓為2 mV，諧波失真為5％。一般人不易察覺，對于普通用戶，在要求不高的場合是可以接受的。但對于HI-FI或HI-END音響設(shè)備來說，是不能容忍的。因?yàn)镠I-FI或HI-END音響設(shè)備要求背景非常寧靜，各項(xiàng)性能指標(biāo)要求也較高，即使2 mV的噪聲電壓，也會影響背景的寧靜度，5％的諧波失真就更不用說了。

4 阻容元件的選用
4．1 電阻元件的選擇
    為保證FI或HI-END音響設(shè)備的高保真度，根據(jù)以上分析，音源、前后級功放應(yīng)考慮選擇金屬膜電阻或薄膜電阻，大電流部分可采用無感陶瓷電阻；阻值誤差要小，電阻的標(biāo)稱功率應(yīng)大于實(shí)際消耗功率，一般不小于實(shí)際消耗功率的兩倍，以降低電阻的溫度，減小電阻的熱噪聲和電流噪聲，提高音響設(shè)備的信噪比。目前，歐美等國家生產(chǎn)的電阻、電容性能比國產(chǎn)的好，如美國DALE軍用電阻，西電瓷管線繞精密電阻，性能穩(wěn)定，用于電源濾波、陰極電阻，音質(zhì)佳、噪聲??；西電(黑排骨)精密電阻，如用作單端功放管300B，F(xiàn)U50膽機(jī)陰極電阻，性能穩(wěn)定，音色極佳。又如法國金屬膜電阻，精度高，誤差小于1％，用于音響配對電阻一致性好，平衡度高，音質(zhì)晶瑩細(xì)膩，噪聲小。
4．2 電容元件的選擇
    對于電容器，1)能不用電容就盡量不用，2)不選用陶瓷電容，3)需要使用電容器的場合，應(yīng)選擇等效串聯(lián)電阻ESR、電感ESL小，介質(zhì)損耗小、漏電電流小，高頻性能好(f0較高)的電容。電容器標(biāo)稱參數(shù)，1)電容量，就是電容器外殼上所標(biāo)出的數(shù)值，常用μF、pF表示，2)安全工作電壓(指電容器工作電壓的標(biāo)稱值)，實(shí)際工作電壓為額定標(biāo)稱值的2／3左右是比較合理可靠的，一般來說標(biāo)稱電壓越高，漏電流越??；3)溫度，常見的大多為85℃、105℃。高溫條件下(例如電子管功放或純甲類晶體管功放)要優(yōu)選105℃標(biāo)稱的電容器。一般情況下，選用溫度系數(shù)高的電容對于改善其他性能也有積極的幫助，最好選用音響專用電容。如丹麥JENSEN鋁箔電容、銅膜電容、銅管電容，美國SPRAGUE電容、思碧維他命Q油浸電容，德國著名的ROE電解電容、日本的ELNA電容等，這些電容的音色有各自特點(diǎn)。
    在音響電路中，用得最多的是有機(jī)、無機(jī)介質(zhì)電容和電解電容。電路選定后，電容器還是影響放大器音質(zhì)、音色的主要因素之一。同一電路，更換不同類型的電容器，音質(zhì)、音色就有不同的變化。這是因?yàn)椴煌碾娙?，雖然其容量和耐壓都一樣，但其制作工藝及材質(zhì)不同，固有的介質(zhì)損耗、絕緣電阻、介質(zhì)充放電速率以及串聯(lián)等效電感等相差懸殊。為了避免電容器給信號傳輸帶來的不良影響，最好把音頻放大電路的級間耦合設(shè)計(jì)成直流耦合(DC)電路；對于無法采用直流耦合的電子管音頻放大器，級間耦合應(yīng)采用品質(zhì)好的電容器，如法國的SOLEN、德國的VIMA等品牌的電容器。該電容品質(zhì)一流，其容量誤差小于3％，自身的電感量均小于50 nH，其諧波失真(THD)小于0．001％，非常適合作為級間耦合電容。如果在電源濾波、退耦的電解電容兩端并聯(lián)SOLN或VIMA小電容，還可以有效地抑制電力網(wǎng)帶來的高頻干擾。

5 結(jié)束語
    綜上所述，阻容元件對HI-END級(高級)音頻放大器的音質(zhì)和音色是有影響的。有經(jīng)驗(yàn)的音響愛好者，對于音質(zhì)、音色表現(xiàn)一般的CD唱機(jī)或音頻放大器，通過更換一些優(yōu)質(zhì)的音頻專用阻容元件，能收到一定的效果。目前，歐美國家的音響制造商，逐步采用貼片阻容元件，來減少阻容元件帶來的不良影響，效果比較明顯。