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阻容元件對(duì)音頻放大器的影響及其選用

發(fā)布日期:2023-04-25 點(diǎn)擊次數(shù):1089
    阻容元件是在音響設(shè)備中使用量最大的無(wú)源器件,近年來(lái)國(guó)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(guò)程中,非常重視集成塊(IC)、晶體三極管、場(chǎng)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(zhǎng)足的進(jìn)步。但在高附加值的HI-END級(jí)音響產(chǎn)品領(lǐng)域,與歐美國(guó)家存在較大的差距。原因之一是對(duì)電阻、電容等無(wú)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(guò)對(duì)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(cè)試,發(fā)現(xiàn)阻容元件對(duì)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。
    音響設(shè)備主要由音源(CD或DVD)、前級(jí)均衡放大器(功放前級(jí))和后級(jí)功率放大器(功放后級(jí))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(chǎng)效應(yīng)管或電子管和阻容元件組成。一直以來(lái),我們?cè)谠O(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(chǎng)效應(yīng)管或電子管有源器件的選用,而對(duì)電阻、電容等無(wú)源器件的選用就比較隨便。不少人認(rèn)為阻容元件對(duì)聲音影響不大,的確,在要求不高的場(chǎng)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(huì)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(lèi)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(dòng),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(wú)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(lèi)型的電阻器中都存在,不能通過(guò)改變電阻器的質(zhì)量來(lái)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(lèi)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(guò)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(duì)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(hào)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(lái)表示。
    電阻器中電流噪聲等級(jí)通常用噪聲指數(shù)[NI]dB來(lái)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(cè)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(jí)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(guò)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(jí)最低。這兩類(lèi)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(lái)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(hào)產(chǎn)生的交變電場(chǎng)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(lái)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?,即
    式中:ω=2π
    當(dāng)音頻信號(hào)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(jiàn)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(huì)給電容器帶來(lái)?yè)p耗。
    對(duì)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(jiàn)1 000 pF的陶瓷電容為例,據(jù)測(cè)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(lái)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(hào)通過(guò)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(guò)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(hào)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(shuō),陶瓷電容的低頻失真大,而高頻失真相對(duì)較小。壓電效應(yīng)對(duì)于電壓敏感的陶瓷電容是引起諧波失真的主要原因。而對(duì)電壓不敏感的薄膜類(lèi)電容,由于介質(zhì)損耗,等效串聯(lián)電阻、電感等因素同樣會(huì)引起非線性失真,只是失真的數(shù)量級(jí)較低,人耳不易察覺(jué)而已。
3 阻容元件對(duì)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(jí)的電壓增益為20 dB,功放后級(jí)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(hào)的諧波失真為0.05%,功放前后級(jí)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(hào)的諧波失真為100x0.05%=5%。若采用陶瓷電容,則諧波失真會(huì)更大。另外,電容器的等效串聯(lián)電阻、電感還會(huì)影響電容器充放電的速度,引起音頻信號(hào)的瞬態(tài)失真。
    對(duì)于普通的音響設(shè)備來(lái)說(shuō),輸出的噪聲電壓為2 mV,諧波失真為5%。一般人不易察覺(jué),對(duì)于普通用戶(hù),在要求不高的場(chǎng)合是可以接受的。但對(duì)于HI-FI或HI-END音響設(shè)備來(lái)說(shuō),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?kù)o,各項(xiàng)性能指標(biāo)要求也較高,即使2 mV的噪聲電壓,也會(huì)影響背景的寧?kù)o度,5%的諧波失真就更不用說(shuō)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(jí)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(wú)感陶瓷電阻;阻值誤差要小,電阻的標(biāo)稱(chēng)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(guó)家生產(chǎn)的電阻、電容性能比國(guó)產(chǎn)的好,如美國(guó)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、噪聲小;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(guó)金屬膜電阻,精度高,誤差小于1%,用于音響配對(duì)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(duì)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(chǎng)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(chēng)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(chēng)值),實(shí)際工作電壓為額定標(biāo)稱(chēng)值的2/3左右是比較合理可靠的,一般來(lái)說(shuō)標(biāo)稱(chēng)電壓越高,漏電流越?。?)溫度,常見(jiàn)的大多為85℃、105℃。高溫條件下(例如電子管功放或純甲類(lèi)晶體管功放)要優(yōu)選105℃標(biāo)稱(chēng)的電容器。一般情況下,選用溫度系數(shù)高的電容對(duì)于改善其他性能也有積極的幫助,最好選用音響專(zhuān)用電容。如丹麥JENSEN鋁箔電容、銅膜電容、銅管電容,美國(guó)SPRAGUE電容、思碧維他命Q油浸電容,德國(guó)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(wú)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(lèi)型的電容器,音質(zhì)、音色就有不同的變化。這是因?yàn)椴煌碾娙荩m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(hào)傳輸帶來(lái)的不良影響,最好把音頻放大電路的級(jí)間耦合設(shè)計(jì)成直流耦合(DC)電路;對(duì)于無(wú)法采用直流耦合的電子管音頻放大器,級(jí)間耦合應(yīng)采用品質(zhì)好的電容器,如法國(guó)的SOLEN、德國(guó)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(jí)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(lái)的高頻干擾。
5 結(jié)束語(yǔ)
    綜上所述,阻容元件對(duì)HI-END級(jí)(高級(jí))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(ài)好者,對(duì)于音質(zhì)、音色表現(xiàn)一般的CD唱機(jī)或音頻放大器,通過(guò)更換一些優(yōu)質(zhì)的音頻專(zhuān)用阻容元件,能收到一定的效果。目前,歐美國(guó)家的音響制造商,逐步采用貼片阻容元件,來(lái)減少阻容元件帶來(lái)的不良影響,效果比較明顯。


























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