阻容元件对音频放大器的影响及其选用

摘要：阻容元件是在音响设备中使用量最大的无源器件，近年来国内的音响制造商，在设计音源(CD或DVD)、功率放大器的过程中，非常重视集成块(IC)、晶体三极管、场效应管及电子管等有源器件的选用，在电路设计、产品工艺等方面取得了长足的进步。但在高附加值的HI-END级音响产品领域，与欧美国家存在较大的差距。原因之一是对电阻、电容等无源器件的选用重视不够。为了提高音响设备的重放效果，通过对阻容元件的分析、研究，采用同一套音响设备、不同的阻容元件进行比较测试，发现阻容元件对音响设备的影响不容小视，合理选择阻容元件可提高音响设备的性能指标和重放效果。
关键词：电阻器；电容器；影响；选用

    音响设备主要由音源(CD或DVD)、前级均衡放大器(功放前级)和后级功率放大器(功放后级)组成，以上设备中的音频放大部分基本采用集成块(IC)和分立元件两种模式。集成块模式大多由集成运算放大器和阻容元件组成，而分立元件模式大多由晶体三极管、场效应管或电子管和阻容元件组成。一直以来，我们在设计音响设备的时候，非常重视集成块(IC)、晶体三极管、场效应管或电子管有源器件的选用，而对电阻、电容等无源器件的选用就比较随便。不少人认为阻容元件对声音影响不大，的确，在要求不高的场合，如一般的家庭影院、电脑音响、彩电的伴音电路，可采用普通的阻容元件；但在高端音频设备中，必须慎重地选择电阻、电容等元器件，否则，就难以达到HI-FI或HI-END的水准。

1 关于电阻器
    电阻器是各种电路中使用量最多的器件，在HI-FI或HI-END设备中，电阻器的选用将直接影响设备的性能指标，如信噪比、保真度等。进入工作状态的电阻器会产生噪声，噪声大小取决于电阻值、温度、施加的电压以及电阻器类型。电阻器总噪声由多个成分组成。与各种音频电路密切相关的是热噪声和电流噪声。
1．1 电阻器的热噪声
    在电阻器中，由于电子的不规则热运动，在一个足够小的体积内，电子浓度的瞬时值存在不规则的起伏，电位也发生不规则的起伏，因此，电阻体任意两小块体积之间就形成一个起伏的电位差，这就是电阻的热噪声。在频率特性上，它属于白噪声，即频谱等幅均匀分布的，如图1所示。在频宽内，热噪声的均方根值可表示为
    ST=4kTR△f……       (1)

    式中：R为电阻器的电阻值，单位为Ω；T为电阻器温度单位为K；k=1．380 7×10-23 J／K为玻尔兹曼(Boltzmann)常数。上式表明，电阻器的热噪声与电阻材料无关，与电阻值、温度和频宽成正比。热噪声是一种不可抑制的物理现象，在任何类型的电阻器中都存在，不能通过改变电阻器的质量来消除。
1．2 电阻器的电流噪声
    电阻器的电流噪声与电阻材料、工艺、类型(非线性大小)具有直接关系。电阻器的非线性反映电阻体材料内部结构的不致密和不连续(非均质)的程度，因此在一定程度上反映了电阻器质量的好坏。通过实验发现，大多数电阻器都存在一定的非线性。对于非线性电阻器，电流噪声的均方根值可表示为：
   
    式中，K是取决于电阻元件材料及其制造工艺的常数，U是电阻器两端的直流电压降，△f为频宽，为信号频率。上式表明，在一定的△f频宽内，电流噪声SE与电阻器上的直流电压降U的平方成正比，与频率成反比。当U、R、△f确定之后，电流噪声SE与频率f的关系可用图2来表示。

    电阻器中电流噪声等级通常用噪声指数[NI]dB来表示
   
    式中，u是带宽上的均方根噪声电压，而U是电阻器上的直流电压降，u和U的测量单位均是V。[NI]的单位是dB。
    图3为商用电阻器的平均噪声指数。图中，基于复合电阻材料(如碳和厚膜)的电阻器的电流噪声等级最高。这是由于这些电阻元件材料的显著非均质性造成的。这些复合材料中的导电路径是由隔离矩阵中相互接触的导电粒子形成的。当电流流经这些“接触位置”中的不稳定接触点时，它们便产生噪声。而薄膜电阻具有相当强的均质结构，因此噪声较低。薄膜是通过在陶瓷基板上蒸发或者喷溅电阻材料

    (例如：氮化钽TaN、硅铬SiCr和镍铬NiCr)沉积形成的。金属箔电阻和绕线电阻的噪声等级最低。这两类电阻器一般采用合金材料制成，而合金材料的致密性、匀质性较好，因此噪声低；其噪声主要来自电阻体与电阻引脚接合点处，可能产生额外的噪声。然而，绕线电阻器的主要缺陷是其电感，在使用中需格外关注。

2 关于电容器
    在音频信号产生的交变电场作用下，电容器表现出复杂的阻抗性质，一个电容器可以用一个RLC串联电路来等效，等效电路如图4所示。图中，C为等效电容，L为等效串联电感(ESL)，r等效串联电阻(ESR)。可用下列阻抗式表示，即
   
    式中：ω=2π

    当音频信号频率上升时，电容器的容抗减小、感抗增大，XL>XC，等效电路呈现电感性，并且频率越高，感抗越大，如图5中右侧曲线；当频率下降时，容抗增大、感抗减小，XC>XL，等效电路呈现电容性，频率越低，容抗越大，见图5左侧曲线；当f=f0时，XC=XL，RLC电路发生串联谐振，等效阻抗为r。因此电容器的阻抗随频率变化具有U型特性，如图5所示。从图5中可知，电容器的工作频率上限fH<f0，当f≥f0时，电容器已失效。

    等效串联电感(ESL)的存在给电容器的性能产生不良的影响：1)限制了电容器的上限工作频率，电容器的等效电感越大，工作频率越低；2)影响甚至改变输入脉冲电压的波形；3)影响电容器充放电的速度。4)等效串联电阻(ESR)会给电容器带来损耗。
    对于陶瓷电容器，它是以陶瓷作为电容的介质。由于陶瓷材料具有压电特性，所以当陶瓷电容C两端的电压改变时，其容量也发生改变。以常见1 000 pF的陶瓷电容为例，据测试，当陶瓷电容C两端的电压从0～15 V变化时，其容量C从963～982 pF变化。

    若以陶瓷电容C组成一个RC耦合电路，如图6所示。在输入端输入正弦波，在波峰或波谷到来时，电容器的偏压最大，而在0轴时偏压最小。一个周期的信号通过电容器时，电容器的容量经历一个由小到大，再由大到小的变化过程。RC耦合电路的输出电压表达式为：
   
    若输入的是标准的正弦波，则输出的波形将发生畸变，产生谐波失真，表明陶瓷电容具有非线性特征。考察上式，在一定的频率范围内，信号频率越高，容抗就越小，当XC<<R时，Vo=Vi，电容器的影响就可以忽略，这时输出波形就接近输入波形。也就是说，陶瓷电容的低频失真大，而高频失真相对较小。压电效应对于电压敏感的陶瓷电容是引起谐波失真的主要原因。而对电压不敏感的薄膜类电容，由于介质损耗，等效串联电阻、电感等因素同样会引起非线性失真，只是失真的数量级较低，人耳不易察觉而已。

3 阻容元件对音响设备的影响
    在常温下，设音源中音频放大电路有一阻值为10 kΩ的电阻，则当音响设备音源、功放的带宽为20 kHz时，电阻的热噪声电热约为1．5 μV，电流噪声约为0．5μV，合计约为2μV；此时，假设音源CD唱机音频放大电路的电压增益为20 dB，功放前级的电压增益为20 dB，功放后级的电压增益为20 dB，音响设备总的电压增益为60 dB，即电压放大倍数为1 000倍，则功放输出的噪声电压为Vo=2μVx1 000=2 mV。随着温度的上升，输出的噪声电压将大于2 mV。
    如果音源的音频放大部分采用RC耦合电路，音源输出信号的谐波失真为0．05％，功放前后级总的电压增益为40 dB，即电压放大倍数为100倍，则功放输出信号的谐波失真为100x0．05％=5％。若采用陶瓷电容，则谐波失真会更大。另外，电容器的等效串联电阻、电感还会影响电容器充放电的速度，引起音频信号的瞬态失真。
    对于普通的音响设备来说，输出的噪声电压为2 mV，谐波失真为5％。一般人不易察觉，对于普通用户，在要求不高的场合是可以接受的。但对于HI-FI或HI-END音响设备来说，是不能容忍的。因为HI-FI或HI-END音响设备要求背景非常宁静，各项性能指标要求也较高，即使2 mV的噪声电压，也会影响背景的宁静度，5％的谐波失真就更不用说了。

4 阻容元件的选用
4．1 电阻元件的选择
    为保证FI或HI-END音响设备的高保真度，根据以上分析，音源、前后级功放应考虑选择金属膜电阻或薄膜电阻，大电流部分可采用无感陶瓷电阻；阻值误差要小，电阻的标称功率应大于实际消耗功率，一般不小于实际消耗功率的两倍，以降低电阻的温度，减小电阻的热噪声和电流噪声，提高音响设备的信噪比。目前，欧美等国家生产的电阻、电容性能比国产的好，如美国DALE军用电阻，西电瓷管线绕精密电阻，性能稳定，用于电源滤波、阴极电阻，音质佳、噪声小；西电(黑排骨)精密电阻，如用作单端功放管300B，FU50胆机阴极电阻，性能稳定，音色极佳。又如法国金属膜电阻，精度高，误差小于1％，用于音响配对电阻一致性好，平衡度高，音质晶莹细腻，噪声小。
4．2 电容元件的选择
    对于电容器，1)能不用电容就尽量不用，2)不选用陶瓷电容，3)需要使用电容器的场合，应选择等效串联电阻ESR、电感ESL小，介质损耗小、漏电电流小，高频性能好(f0较高)的电容。电容器标称参数，1)电容量，就是电容器外壳上所标出的数值，常用μF、pF表示，2)安全工作电压(指电容器工作电压的标称值)，实际工作电压为额定标称值的2／3左右是比较合理可靠的，一般来说标称电压越高，漏电流越小；3)温度，常见的大多为85℃、105℃。高温条件下(例如电子管功放或纯甲类晶体管功放)要优选105℃标称的电容器。一般情况下，选用温度系数高的电容对于改善其他性能也有积极的帮助，最好选用音响专用电容。如丹麦JENSEN铝箔电容、铜膜电容、铜管电容，美国SPRAGUE电容、思碧维他命Q油浸电容，德国著名的ROE电解电容、日本的ELNA电容等，这些电容的音色有各自特点。
    在音响电路中，用得最多的是有机、无机介质电容和电解电容。电路选定后，电容器还是影响放大器音质、音色的主要因素之一。同一电路，更换不同类型的电容器，音质、音色就有不同的变化。这是因为不同的电容，虽然其容量和耐压都一样，但其制作工艺及材质不同，固有的介质损耗、绝缘电阻、介质充放电速率以及串联等效电感等相差悬殊。为了避免电容器给信号传输带来的不良影响，最好把音频放大电路的级间耦合设计成直流耦合(DC)电路；对于无法采用直流耦合的电子管音频放大器，级间耦合应采用品质好的电容器，如法国的SOLEN、德国的VIMA等品牌的电容器。该电容品质一流，其容量误差小于3％，自身的电感量均小于50 nH，其谐波失真(THD)小于0．001％，非常适合作为级间耦合电容。如果在电源滤波、退耦的电解电容两端并联SOLN或VIMA小电容，还可以有效地抑制电力网带来的高频干扰。

5 结束语
    综上所述，阻容元件对HI-END级(高级)音频放大器的音质和音色是有影响的。有经验的音响爱好者，对于音质、音色表现一般的CD唱机或音频放大器，通过更换一些优质的音频专用阻容元件，能收到一定的效果。目前，欧美国家的音响制造商，逐步采用贴片阻容元件，来减少阻容元件带来的不良影响，效果比较明显。