為這次測試，收集了如下電容樣本，標稱容量都是0.1uF的。
圖中1號是個陶瓷介質(zhì)電容；2-6號是各種類型的薄膜電容，其中6號是西門子的，其余是雜牌，有國內(nèi)也有國外的；7號是陶瓷密封油浸薄膜電容，耐壓最高，是1000V。
有人會問，這么小容量的電容幾乎不用到音頻耦合回路里面呢！呵呵，這個問題當然是和后級電路的輸入阻抗有關(guān)聯(lián)。當后級輸入阻抗大于47k歐時，0.1uF電容耦合對低頻損失是可以接受的。測試電路很簡單，如下圖。
大家知道，很多音頻的指標對音質(zhì)有直接影響。不如說信噪比、動態(tài)、輸出功率、諧波失真。。。等等，大家盡量發(fā)揮自己的想象力，這么簡單的一個電路里面，電容究竟會對那個重要的指標有影響而改變音質(zhì)呢？
當然，最容易影響的是頻響。但是前面提到了，只要RC時間常數(shù)足夠大，低頻下降就可以忽略，所以這里不予以考察。這次重點放在THD即全諧波失真指標的測量與分析。
下面這個圖標是R=2K時，7個電容對應(yīng)的THD+噪聲和信號頻率的關(guān)系。
圖中線是耦合電容短路（即信號直通）時的失真曲線，也是這個測量系統(tǒng)在這個條件下的測量極限。
實際上，看到這張曲線圖是，我心里是嚇了一跳的。特別是1#樣本，在500Hz以下頻率，失真居然會達到0.2%以上！這個量級對訓練有素的耳朵來說是能夠聽出來的了。
眼尖的同學或者會看出來，由于電阻取的是2K，而電容只有區(qū)區(qū)0.1uF，所以這個電路是個一階高通濾波器。當頻率很低時輸出會衰減很多，而我們測的是（THD+噪聲）/（信號＋噪聲），即這是信號變小了，比值自然會增大。也就是說，這個結(jié)果未必是真的諧波引起的。所以，我們有必要還是定量的看一下到底高通曲線是啥樣子。如下圖。
哈哈，500Hz對于平頂部分只下降了4dB。所以上面的擔憂可以排除了。看來真的是有諧波失真發(fā)生哦，真郁悶！
不到黃河心不死！我要看諧波成分是啥樣子。對了，做快速傅立葉分析。
做了1號和7號兩個樣本分別在1kHz和400Hz輸入時的諧波成分分析，如下圖。
1kHz輸入時
400Hz輸入時
果然，全部都是如假包換的諧波！接受這個現(xiàn)實的同時，就得回答一個問題了：電容是非線性元件嗎？怎么會有這么大的非線性失真呢？
鑒于失真最厲害的是1號陶瓷電容，而陶瓷材料會有壓電特性。是不是這些電容因為加上電壓后有什么變化呢？于是給電容加上偏置電壓，選了1號、4號和7號三個樣本，測試結(jié)果如下圖。
圖表中可以看出，1號樣品缺失電容量雖偏置電壓變化而變化。偏壓從0V變到15V時，容量居然從96.3nF變化到98.2nF，變化率達到1.97%！另外兩個樣品卻沒測出來類似的容量變化。
那么，1號樣品的這個偏壓-容量變化關(guān)系在這個耦合電路里會引起什么樣的后果呢？
一般的來說，有交流信號通過電容時，電容會有一個阻礙作用，既是容抗。容抗Ｘc=1/(ωC)=1/(2πfC)。如果信號的頻率ｆ不變，當Ｃ變化時，Xｃ也是變化的。
我們再看前面的測試電路，實際是一個Ｘｃ與Ｒ的串聯(lián)分壓電路。Ｘｃ越大，輸出越小。呵呵，問題原來在這里了！對于１#電容，當交流信號在過０點時，電容是一個容量。當信號不在０點時相當于對電容加了一個偏壓；而在波峰或波谷時，偏壓達到了最大。既是說，一個周期的信號通過電容時，電容的容量經(jīng)歷一個容量由小到大再由大到小的循環(huán)。輸出信號Ｖｏ＝R/(Xc//R)；當Xc變化時，Ｖｏ自然也就發(fā)生變化了。這就是的整個電路表現(xiàn)出了非線性特性！輸入一個標準正弦波時，輸出的卻是幅度不按正弦規(guī)律變化的畸變波形，這樣子諧波失真自然就產(chǎn)生了。
同樣的，這個結(jié)論也能解釋為何頻率高時失真小而頻率低時失真大。當信號頻率高時，Xc就小，基數(shù)小了，變數(shù)自然也就更加小，當Ｘｃ小到和Ｒ比可以忽略時，變數(shù)引起的畸變自然也無影無蹤了。所以失真特性曲線上，不管那個電容對應(yīng)的高頻段，諧波失真都非常小，直到?jīng)]有失真。
由于失真是由電容有偏壓時引起容量變化而產(chǎn)生的，而偏壓越大，電容變化也越大。那么當信號電壓大時，輸出信號的失真也會更大！實際的情況任何呢？看看下面的測試曲線，描述的是失真對輸入信號強度的關(guān)系，信號頻率是１ｋＨｚ。
圖中最下面那條線是電容短路時的測試結(jié)果，當作參考。注意到當輸入信號大于１００ｍＶ時，隨著信號強度的增加，ＴＨＤ也越來越大。當輸入信號達到１０Ｖｒｍｓ時，失真達到0.1５％左右。
記得前面我們也測了４號和７號電容的偏壓-容量特性，在電橋的分辨力范圍幾乎沒看到有容量的變化。但是在失真曲線上看到的諧波失真卻是不能忽略的。那這又是怎么回事呢？
為了找到這個回答這個疑問的蛛絲馬跡，于是對７個電容做了比較全面的參數(shù)測量，結(jié)果如下表。
看數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，測試頻率不同，同一電容的容量也會不同。為了方便比較，表格的右邊專門算出了１００Ｈｚ和１０ｋＨｚ測試頻率時同一個電容器的電容量的比值。畫成圖表如下。
如果和失真曲線比照，會發(fā)現(xiàn)容量變化大的，失真也大。如圖中１#最大，失真也最大；４＃第二，對應(yīng)失真圖上４００Ｈｚ－８ｋＨｚ這段范圍內(nèi)失真表現(xiàn)都很突出；５＃變化最小，失真也幾乎是最貼近參考線。
同樣的，我們也可以整理一下?lián)p耗（方位角正切）的數(shù)據(jù)，如下面圖表。
１＃、４＃、５＃的變化規(guī)律，同樣是和失真特性相應(yīng)證的。即損耗越大，引起的信號失真也大！
綜上所述，電壓效應(yīng)（電壓-容量變化關(guān)系）于對電壓敏感的陶瓷電容是引起其產(chǎn)生諧波失真的主要因素。而對電壓不敏感的薄膜類電容，介質(zhì)損耗、等效串聯(lián)電阻等因素同樣能引起非線性失真，只是這時引起的失真數(shù)量級比較低，絕大多數(shù)場合是可以接受且人耳不能覺察的。
小結(jié)：該怎么決定音頻電路中的耦合電容呢？
很顯然，能不用電容耦合就不要用了，現(xiàn)在有源器件的性能已非老早工業(yè)時代的產(chǎn)品所能比擬，設(shè)計出純ＤＣ放大電路已經(jīng)不是什么特別難的課題了。哦，你不得不要選用電容做耦合，其實結(jié)論上面已經(jīng)有了。第一不是萬不得已，別選用瓷介電容；第二，要挑選Ｑ值高、ＥＳＲ小、介電損耗小的電容，同時注意高頻性能要盡量的好。
最后，上一個鉭電解電容和鋁電解電容（４．７ｕＦ，Ｒ取６００歐）的比較測試結(jié)果，當作是本文的結(jié)尾吧。
圖中，綠線是鉭電解，紅線是鋁電解，這樣子的特性，明白了該選哪個做耦合電容了吧？ |
