阻容元件对音频放大器的影响及其选用

中心议题：

• 阻容元件对音频放大器的影响及其选用

解决方案：

• 采用普通的阻容元件
• 可以用一个RLC串联电路来等效

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。

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。
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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。
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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。