中心議題：

• 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係數的影響

解決方案：

• 采用電壓係數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係數的影響

在zai音yin頻pin電dian路lu設she計ji中zhong通tong常chang采cai用yong無wu源yuan元yuan件jian設she置zhi增zeng益yi


，提ti供gong電dian流liu偏pian置zhi和he電dian流liu退tui耦ou，並bing用yong來lai分fen隔ge相xiang對dui獨du立li的de直zhi流liu電dian路lu模mo塊kuai。而er對dui於yu便bian攜xie式shi音yin頻pin設she計ji

，因yin為wei受shou到dao空kong間jian、高度和價格的限製，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係數，就是說如果在其兩端施加不同的電壓時其物理參數會發生變化。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，那麼，它的阻值將變為1.01kΩ。電壓係數的影響程度取決於元件的類型
、結構和化學成分（對於電容器）。有(you)些(xie)生(sheng)活(huo)廠(chang)家(jia)會(hui)提(ti)供(gong)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)壓(ya)係(xi)數(shu)曲(qu)線(xian)圖(tu)
，給(gei)出(chu)標(biao)稱(cheng)電(dian)壓(ya)百(bai)分(fen)比(bi)和(he)標(biao)稱(cheng)電(dian)容(rong)器(qi)百(bai)分(fen)比(bi)的(de)關(guan)係(xi)曲(qu)線(xian)。新(xin)一(yi)代(dai)薄(bo)膜(mo)電(dian)阻(zu)器(qi)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)好(hao)的(de)電(dian)壓(ya)係(xi)數(shu)，實(shi)驗(yan)室(shi)條(tiao)件(jian)下(xia)很(hen)難(nan)測(ce)量(liang)其(qi)誤(wu)差(cha)。電(dian)容(rong)器(qi)則(ze)不(bu)同(tong)，從(cong)以(yi)下(xia)幾(ji)方(fang)麵(mian)來(lai)看(kan)將(jiang)會(hui)限(xian)製(zhi)音(yin)頻(pin)性(xing)能(neng)。


●電壓係數。
　　
●介質吸收（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。
　　
●等效串聯阻抗（ESR）：這是一個與頻率相關的參數，一個經串聯耦合電容器驅動的低阻抗耳機或擴音器，由於耦合電容器存在ESR將會限製最大輸出功率。
　　
●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，會在兩端產生相應的電壓輸出。


●公差：對於多數大容量的電容器（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(xia)麵(mian)介(jie)紹(shao)一(yi)種(zhong)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)，同(tong)時(shi)也(ye)包(bao)括(kuo)簡(jian)單(dan)的(de)測(ce)試(shi)電(dian)路(lu)。從(cong)音(yin)頻(pin)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)顯(xian)示(shi)結(jie)果(guo)來(lai)看(kan)
，要(yao)吧(ba)清(qing)楚(chu)地(di)量(liang)化(hua)音(yin)頻(pin)信(xin)號(hao)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)非(fei)常(chang)線(xian)性(xing)對(dui)音(yin)頻(pin)質(zhi)量(liang)的(de)影(ying)響(xiang)。我(wo)們(men)的(de)目(mu)的(de)主(zhu)要(yao)是(shi)提(ti)醒(xing)讀(du)者(zhe)注(zhu)意(yi)這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)，仔(zai)細(xi)觀(guan)察(cha)這(zhe)種(zhong)有(you)代(dai)表(biao)性(xing)的(de)結(jie)果(guo)，並(bing)且(qie)提(ti)供(gong)一(yi)種(zhong)有(you)效(xiao)的(de)測(ce)試(shi)和(he)比(bi)較(jiao)方(fang)法(fa)。[page]
　　
2測試方法

電容器的非線性交流效應比較容易發現。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並且是可以量化的。

考慮一個簡單的高速RC濾波器（見圖1）。當輸入信號頻率高於它的-3db截jie止zhi頻pin率lv時shi，電dian容rong器qi相xiang對dui於yu電dian阻zu器qi來lai說shuo具ju有you很hen低di的de阻zu抗kang。如ru此ci高gao頻pin的de交jiao流liu信xin號hao在zai電dian容rong器qi兩liang端duan會hui產chan生sheng非fei常chang小xiao的de壓ya差cha
，那na麼me電dian容rong電dian壓ya係xi數shu的de影ying響xiang就jiu可ke以yi忽hu略lve。但dan是shi電dian容rong器qi的de等deng效xiao串chuan聯lian電dian阻zu（ESR）與輸入信號電流的乘積會在電容器上產生相應的壓降，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於-3db截止頻率的總諧波失真（THD）
，這種測試突出了電容器電壓係數的非線性特性對THD的影響。測試電路基於一個-3db截止頻率為1kHz的高通RC濾波器。當我們選擇不同結構
、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，構成一個標稱截止頻率等於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果

圖2給出上述電路的THD+N與頻率的關係曲線，圖（a）選用的是聚酯電容器，額定電壓為25V的通孔聚酯電容器並不適用於便攜式設備。從該圖可以清楚地看出電容器電壓係數對總諧波失真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，我們注意到頻率高於1kHz以後聚酯電容器造成的影響非常小，TND+N指標隻是略微高於參考值。

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與頻率的關係曲線，它包含一個傳統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
，所不同的隻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)所示測試曲線類似於圖2(b)
，所不同的隻是采用了表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

表2三種表貼型陶瓷電容的參數


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，對於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%,相當於-54db的失真。大多數16位音DAC和編解碼器（CODEC）的THD指標都優於這個數值。在這裏，我們需要注意COG介質電容器具有非常低的電壓係數
，但它的最大電容量受到限製，通常最大值隻有0.047μF。上述測試用了1μF電容器
，所以沒有包括COG電容器。
[page]
4怎樣避免電容器電壓係數的影響

圖3所示音頻放大器采用了一種新穎的交流耦合方式
，它與傳統的耦合電路配置相比隻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，我們可以采用電壓係數非常低的COG/1206陶瓷電容器這樣可以最大限度地降低電壓係數的影響。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(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)作(zuo)為(wei)輸(shu)入(ru)耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)器(qi)，以(yi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)電(dian)壓(ya)係(xi)數(shu)的(de)影(ying)響(xiang)，適(shi)用(yong)於(yu)便(bian)攜(xie)式(shi)音(yin)頻(pin)放(fang)大(da)器(qi)。複(fu)合(he)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu)基(ji)本(ben)上(shang)具(ju)有(you)一(yi)階(jie)的(de)低(di)頻(pin)衰(shuai)減(jian)響(xiang)應(ying)，但(dan)是(shi)它(ta)民(min)可(ke)以(yi)調(tiao)整(zheng)為(wei)兩(liang)階(jie)響(xiang)應(ying)的(de)高(gao)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)。調(tiao)整(zheng)圖(tu)3中zhong的de相xiang關guan無wu源yuan元yuan件jian時shi需xu要yao注zhu意yi放fang大da電dian路lu的de過guo載zai響xiang應ying和he與yu之zhi相xiang關guan的de峰feng值zhi。圖tu示shi電dian路lu具ju有you近jin似si的de最zui大da平ping坦tan度du高gao通tong響xiang應ying。這zhe個ge電dian路lu可ke以yi簡jian單dan運yun用yong到dao偽wei差cha分fen和he全quan差cha分fen輸shu入ru級ji放fang大da電dian路lu設she計ji中zhong。

圖4所示是圖3音頻放大器的頻率響應曲線，頻率低於10Hz時該電路具有-20db/每10倍頻程的衰減，它的-3db截止頻率位於5Hz附近。圖5所示立體聲耳機放大器MAX4410彩了一種創新的專利技術即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係數所造成的輸出音頻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，那麼，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。


●節省了大容量的交流耦合電容器也節省了電路板麵積。同時，大容量耦合電容器相對於MAX4410需要的1μF和2.2μF的小陶瓷電容器來說
，價格也偏高。
　　
●這種輸出架構支持吸入和源出（相對於以地為參考的負載）負載電流。MAX4410放大器內部集成了電荷泵，它產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等於10μF時能夠將電容器電壓係數的影響限製到亞音頻頻率
，該電路省略了大容量的輸出耦合電容器。

在這個例子中，我們隻需選擇一個合適的輸入耦合電容器（包括容量和介質類型）以盡量降低電壓係數的影響。如果選定10kΩ的輸入電阻器和10μF的輸入陶瓷電容器Cin
，那麼該電路的-3db截止頻率等於1.6Hz。

關於大容量電容器，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與頻率的關係曲線。在100Hz、-3db截止頻率，兩種電容器的電壓係數均會導致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量。在圖6所示曲線中，MAX4410測試曲線近似等於參考值。


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），驅動16Ω負載，-3db截止頻率等於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(mo)擬(ni)音(yin)頻(pin)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)會(hui)對(dui)音(yin)頻(pin)質(zhi)量(liang)產(chan)生(sheng)不(bu)良(liang)影(ying)響(xiang)。我(wo)們(men)采(cai)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)音(yin)頻(pin)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)可(ke)以(yi)簡(jian)單(dan)地(di)對(dui)這(zhe)種(zhong)不(bu)良(liang)效(xiao)果(guo)進(jin)行(xing)評(ping)估(gu)和(he)檢(jian)查(zha)。觀(guan)察(cha)上(shang)述(shu)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)就(jiu)會(hui)發(fa)現(xian)：鋥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ce試shi結jie果guo最zui差cha。當dang我wo們men選xuan擇ze有you源yuan器qi件jian時shi，在zai音yin頻pin通tong道dao應ying該gai盡jin量liang減jian少shao交jiao流liu耦ou合he電dian容rong器qi的de數shu量liang。例li如ru，對dui於yu耳er機ji放fang大da器qi來lai說shuo選xuan擇ze差cha分fen信xin號hao通tong路lu或huoDirectDrive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介質電容器，可以有效降低電容器電壓係數的不良影響，同時將-3db截止頻率設定到亞音頻範圍內。