郭长政
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[音响技术]談談音頻中(汽車音響)無源元件(電容,電阻)對音質的影響

楼主#
更多 发布于:2009-07-02 10:03
在音频电路中,无源元件被用于设定电路增益、提供偏置和电源抑制、实现级间直流隔离等功能。由于音频设备的局限性,其空间、高度和成本都受到了严格限制,迫使设计者必须采用小尺寸、低截面和低成本的无源元件。

使用之前,有必要对这些器件的音频效果作一番考察,不恰当的元件选择会显著降低系统的性能。一些设计者认为电阻和电容对音频质量没有什么影响,但实际情况是,很多在音频信号通道上经常使用的无源元件固有的非线性特性会带来严重的总谐波失真(THD)。有些情况下,无源器件对于系统的非线性影响甚至超出了诸如放大器和DAC之类的有源器件,而后者常常被很多设计者看作是音频性能的主要限制因素。


非线性之源
电容和电阻都存在一种所谓的电压系数效应,当元件两端的电压改变时,元件的物理特性会发生某种程度的改变,其参数值也随之改变。例如,当一个两端无电压时阻值为1.00kΩ的电阻被加以10V电压时,其实际电阻值变为1.01kΩ。这种效应随元件的类型、结构和(对于电容)化学类型的不同而有很大差异。有些制造商可以提供电压系数信息,以曲线方式给出了电容变化百分比对应额定电压变化百分比的关系。

现代薄膜电阻的电压系数已非常好,实验室条件下基本上测不到。然而,电容则差强人意,会对性能产生影响:

  • 电压系数:如前所述。
  • 介电吸收(DA):类似于记忆效应,表现为已被放电的电容仍持有一些电荷。
  • 等效串联电阻(ESR):和频率有关,当串联耦合电容驱动低阻抗耳机或扬声器时会限制功率输出。
  • 颤噪效应:一些电容有显著的压电效应,物理应力或变形会在电容两端产生电压。
  • 误差较大:多数大容值电容(几µF或更大),通常没有严格规定精度。而电阻就很容易且廉价地做到1%或2%的容差。
下面的讨论给出了一种测试方法,包括一个简单的测试电路和现成的音频测试设备,以便评价音频信号通道上的电容所带来的不利影响。我们的目的不是对某种尺寸、额定电压或元件类型进行取舍判定,只是想让读者了解这种现象,展示一些有代表性的结果,并提供了一种测试手段,以便进行合理的比较和判断。


测试说明
非线性交流响应很容易在电容上观察到。模拟音频(有必要加以限制)的频率响应在大多数电路模块中可分为高通、低通和带通滤波器,这些滤波器的非线性对于音频质量有显著影响。

考虑一个简单的RC高通滤波器(图1)。当频率远高于-3dB截止频率时,电容的阻抗低于电阻。当有高频交流信号通过时,只在电容两端产生很小的电压,因此电压系数所造成的变化应该很小。不过,信号电流流过电容时,会在电容的ESR上产生电压。ESR的非线性达到一定程度就会使THD恶化。

图片:1.jpg


图1. 简单的高通RC滤波器

当接近-3dB截止频率时,电容和电阻的阻抗值达到同一数量级。结果是在电容两端产生明显的交流电压,同时又只对输入信号产生很小的衰减。此时,电压系数效应接近其峰值。

本测试将聚焦于-3dB截止点的THD,突显无源元件的非理想特性(主要源自于其电压系数效应)。测试电路包括一个-3dB截止频率为1kHz的高通滤波器,和一个音频分析器(Audio Precision System One),以便观察在更换不同结构、化学成分和类型的电容时,THD+N的恶化情况。考虑到可选电容类型的多样性,选择1µF容值的电容。它和150Ω的负载电阻形成了一个1kHz截止频率的耳机滤波器。注意在本测试中被测电容两端没有直流偏压。输入和输出有相同的直流电位。


聚酯电容和参考基线
图2中的THD+N和频率的关系曲线给出了测试装置的分辨率上限,以及一种25V穿孔式聚酯电容(便携设备中不常用)的最小影响。由电压系数引起的THD即使有也不是很明显。注意到在频率低于1kHz时THD开始增加,但实际上输出信号在频率低于1kHz时也下降了,因而降低了由分析仪所记录的信号-噪声(加失真)比率。关键区域在于1kHz以上,在此区间聚酯电容的表现良好—仅能测到相对于参考基线轻微的恶化。

图片:2.jpg


图2. 聚酯电容组成的无源1kHz高通滤波器的THD+N随频率的变化曲线,与参考测量对比。


钽电介质
便携设备中常可以看到钽电容,通常用作隔直电容,特别是要求电容值大于几µF时。图3所示的THD+N和频率的关系曲线对比了三种常见的表面安装型钽电容和传统的穿孔“浸渍”型钽电容(实验室中很常见)。它们同样具有1µF的容值;只是物理尺寸(外壳尺寸)和额定电压不同,见表1。本测试中电容两端没有施加直流偏压。

图片:3.jpg


图3. 不同钽电容组成的无源1kHz高通滤波器的THD+N随频率变化曲线之对比

表1. 图3测试所用的表面安装型钽电容
ValueCase Size L x W (mm)Voltage Rating (V)
1µFA (3.2 x 1.6)25
1µFB (3.5 x 2.8)35
1µFC (6.0 x 3.2)50



陶瓷电介质
陶瓷电容常用于音频电路两级间的交流耦合、低音增强和滤波电路。不同类型电介质的特性如图4所示,对应的元件列于表2

图片:4.jpg


图4. 不同陶瓷电容组成的无源1kHz高通滤波器的THD+N随频率变化曲线之对比

表2. 图4测试所用的表面安装型陶瓷电容
ValueCase SizeVoltage Rating (V)Dielectric Type
1µF060310X5R
1µF080516X7R
1µF120616X7R


图4也给出了一种随意选取的穿孔式陶瓷电容的特性曲线。最差情况是X5R电介质,-3dB点的THD仅为0.2%。为便于比较,可将其等同为-54dB的失真。与此同时,大多数16位音频DAC和CODEC的THD,相对于其满度输出,至少要比这个数值好一个数量级。需要注意的是,C0G电介质能够保证很低的电压系数,但它的电容值仅限于0.047µF以下。本测试要求采用1µF电容,因此C0G型电容没有被包含进来。

总结
无源器件会给模拟音频通带来显著的、可测量的性能恶化。这种效应很容易用标准的音频测试装置测试和评价。在已经过测试的电容类型中,铝电解和聚酯电容有最低的THD,X5R陶瓷电容的THD最差。

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1楼#
发布于:2009-07-02 10:06
下面引用網友對電容的實際測試

阿里巴巴推荐一篇文章,勾引起对耦合电容和音质关系的做个定量分析的好奇心。
  
  
  为这次测试,收集了如下电容样本,标称容量都是0.1uF的。  

图片:5.jpg

 
  图中1号是个陶瓷介质电容;2-6号是各种类型的薄膜电容,其中6号是西门子的,其余是杂牌,有国内也有国外的;7号是陶瓷密封油浸薄膜电容,耐压最高,是1000V。
  
  
  有人会问,这么小容量的电容几乎不用到音频耦合回路里面呢!呵呵,这个问题当然是和后级电路的输入阻抗有关联。当后级输入阻抗大于47k欧时,0.1uF电容耦合对低频损失是可以接受的。测试电路很简单,如下图。  

图片:6.jpg

 
  大家知道,很多音频的指标对音质有直接影响。不如说信噪比、动态、输出功率、谐波失真。。。等等,大家尽量发挥自己的想象力,这么简单的一个电路里面,电容究竟会对那个重要的指标有影响而改变音质呢?
  
  当然,最容易影响的是频响。但是前面提到了,只要RC时间常数足够大,低频下降就可以忽略,所以这里不予以考察。这次重点放在THD即全谐波失真指标的测量与分析。
  
  
  下面这个图标是R=2K时,7个电容对应的THD+噪声和信号频率的关系。  
 

图片:7.jpg


      图中线是耦合电容短路(即信号直通)时的失真曲线,也是这个测量系统在这个条件下的测量极限。
  实际上,看到这张曲线图是,我心里是吓了一跳的。特别是1#样本,在500Hz以下频率,失真居然会达到0.2%以上!这个量级对训练有素的耳朵来说是能够听出来的了。
    
  眼尖的同学或者会看出来,由于电阻取的是2K,而电容只有区区0.1uF,所以这个电路是个一阶高通滤波器。当频率很低时输出会衰减很多,而我们测的是(THD+噪声)/(信号+噪声),即这是信号变小了,比值自然会增大。也就是说,这个结果未必是真的谐波引起的。所以,我们有必要还是定量的看一下到底高通曲线是啥样子。如下图。  

图片:8.jpg

 
  哈哈,500Hz对于平顶部分只下降了4dB。所以上面的担忧可以排除了。看来真的是有谐波失真发生哦,真郁闷!
  
  
  不到黄河心不死!我要看谐波成分是啥样子。对了,做快速傅立叶分析。
  
  做了1号和7号两个样本分别在1kHz和400Hz输入时的谐波成分分析,如下图。
    
  1kHz输入时  

图片:9.jpg

 
400Hz输入时

  果然,全部都是如假包换的谐波!接受这个现实的同时,就得回答一个问题了:电容是非线性元件吗?怎么会有这么大的非线性失真呢?

鉴于失真最厉害的是1号陶瓷电容,而陶瓷材料会有压电特性。是不是这些电容因为加上电压后有什么变化呢?于是给电容加上偏置电压,选了1号、4号和7号三个样本,测试结果如下图。

  图表中可以看出,1号样品缺失电容量虽偏置电压变化而变化。偏压从0V变到15V时,容量居然从96.3nF变化到98.2nF,变化率达到1.97%!另外两个样品却没测出来类似的容量变化。
  
  
  那么,1号样品的这个偏压-容量变化关系在这个耦合电路里会引起什么样的后果呢?
  
  一般的来说,有交流信号通过电容时,电容会有一个阻碍作用,既是容抗。容抗Xc=1/(ωC)=1/(2πfC)。如果信号的频率f不变,当C变化时,Xc也是变化的。
  
  
  我们再看前面的测试电路,实际是一个Xc与R的串联分压电路。Xc越大,输出越小。呵呵,问题原来在这里了!对于1#电容,当交流信号在过0点时,电容是一个容量。当信号不在0点时相当于对电容加了一个偏压;而在波峰或波谷时,偏压达到了最大。既是说,一个周期的信号通过电容时,电容的容量经历一个容量由小到大再由大到小的循环。输出信号Vo=R/(Xc//R);当Xc变化时,Vo自然也就发生变化了。这就是的整个电路表现出了非线性特性!输入一个标准正弦波时,输出的却是幅度不按正弦规律变化的畸变波形,这样子谐波失真自然就产生了。
  
  
  
  同样的,这个结论也能解释为何频率高时失真小而频率低时失真大。当信号频率高时,Xc就小,基数小了,变数自然也就更加小,当Xc小到和R比可以忽略时,变数引起的畸变自然也无影无踪了。所以失真特性曲线上,不管那个电容对应的高频段,谐波失真都非常小,直到没有失真。
  
  
  
  由于失真是由电容有偏压时引起容量变化而产生的,而偏压越大,电容变化也越大。那么当信号电压大时,输出信号的失真也会更大!实际的情况任何呢?看看下面的测试曲线,描述的是失真对输入信号强度的关系,信号频率是1kHz。

图片:10.jpg



  图中最下面那条线是电容短路时的测试结果,当作参考。注意到当输入信号大于100mV时,随着信号强度的增加,THD也越来越大。当输入信号达到10Vrms时,失真达到0.15%左右。
  
  
  
  记得前面我们也测了4号和7号电容的偏压-容量特性,在电桥的分辨力范围几乎没看到有容量的变化。但是在失真曲线上看到的谐波失真却是不能忽略的。那这又是怎么回事呢?
  
  为了找到这个回答这个疑问的蛛丝马迹,于是对7个电容做了比较全面的参数测量,结果如下表。

图片:11.jpg



  看数据我们可以发现,测试频率不同,同一电容的容量也会不同。为了方便比较,表格的右边专门算出了100Hz和10kHz测试频率时同一个电容器的电容量的比值。画成图表如下。

图片:14.jpg



  如果和失真曲线比照,会发现容量变化大的,失真也大。如图中1#最大,失真也最大;4#第二,对应失真图上400Hz-8kHz这段范围内失真表现都很突出;5#变化最小,失真也几乎是最贴近参考线。
  
  
  同样的,我们也可以整理一下损耗(方位角正切)的数据,如下面图表。

图片:15.jpg



  1#、4#、5#的变化规律,同样是和失真特性相应证的。即损耗越大,引起的信号失真也大!
  
  
  
  综上所述,电压效应(电压-容量变化关系)于对电压敏感的陶瓷电容是引起其产生谐波失真的主要因素。而对电压不敏感的薄膜类电容,介质损耗、等效串联电阻等因素同样能引起非线性失真,只是这时引起的失真数量级比较低,绝大多数场合是可以接受且人耳不能觉察的。
  
  
  小结:该怎么决定音频电路中的耦合电容呢?
  
  
  很显然,能不用电容耦合就不要用了,现在有源器件的性能已非老早工业时代的产品所能比拟,设计出纯DC放大电路已经不是什么特别难的课题了。哦,你不得不要选用电容做耦合,其实结论上面已经有了。第一不是万不得已,别选用瓷介电容;第二,要挑选Q值高、ESR小、介电损耗小的电容,同时注意高频性能要尽量的好。
  
  
  最后,上一个钽电解电容和铝电解电容(4.7uF,R取600欧)的比较测试结果,当作是本文的结尾吧。

图片:16.jpg


  图中,绿线是钽电解,红线是铝电解,这样子的特性,明白了该选哪个做耦合电容了吧?
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发布于:2009-08-15 00:34
太专业,并且太长…………
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3楼#
发布于:2009-09-13 19:33
回 3楼(lmno775) 的帖子
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4楼#
发布于:2009-09-23 10:08
有理有据,这样的帖子要顶!好贴!
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