微軟公司新一代視窗操作系統(tǒng)Vista對(duì)臺(tái)式和筆記本電腦的音質(zhì)提出了更高要求。電腦生產(chǎn)廠商必須滿(mǎn)足其音質(zhì)規(guī)范才能得到Windows Vista LOGO 授權(quán)許可。這些新的規(guī)范主要包括音頻信號(hào)的THD＋N（總失真度+噪音），動(dòng)態(tài)范圍及交叉干擾等音頻指標(biāo)。
音頻放大器并非理想器件，其輸出會(huì)產(chǎn)生THD＋N，而音頻信號(hào)通道中的無(wú)源器件對(duì)系統(tǒng)THD影響也很大。本文詳細(xì)介紹了音頻通道中的無(wú)源器件如何產(chǎn)生THD，并重點(diǎn)分析了非理想的2類(lèi)電介質(zhì)多層陶瓷電容器對(duì)THD的影響。
無(wú)源器件是否能成功設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛纱_定系統(tǒng)增益，提供合適偏置，抑制電源噪聲干擾，隔離直流等。不幸的是，便攜式設(shè)備由于體積、高度、成本的限制，它們只能采用小尺寸、低成本的器件。因此，如果不能真正了解這些小尺寸、低成本無(wú)源器件的非線性特性，要想通過(guò)微軟的Vista認(rèn)證十分困難。
實(shí)際的電容器與理想的電容器的差異可以用電壓系數(shù)、溫度系數(shù)、壓電效應(yīng)、等效串聯(lián)電阻、電感、漏電流、介質(zhì)吸收及公差等量化表達(dá)。其中優(yōu)化設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)最重要的兩個(gè)參量是電容的電壓系數(shù)和逆向壓電效應(yīng)（對(duì)電壓系數(shù)影響最大的參數(shù)）。
壓電效應(yīng)
壓電效應(yīng)是特定晶體的專(zhuān)有特性：在機(jī)械應(yīng)力作用下，它們能產(chǎn)生電荷。對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，當(dāng)無(wú)外部機(jī)械壓力時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，無(wú)電荷輸出；一旦晶體受到外部應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性受到破壞，則產(chǎn)生凈電荷。
而逆向壓電效應(yīng)則正好相反：當(dāng)施加一個(gè)變換的電場(chǎng)時(shí)，晶體或物質(zhì)的機(jī)械尺寸發(fā)生改變。K因子大的電容器（譬如，2類(lèi)電介質(zhì)）當(dāng)外部施加電信號(hào)時(shí)，會(huì)有明顯的逆壓電效應(yīng)發(fā)生，結(jié)果導(dǎo)致電容器的機(jī)械尺寸改變。隨著電信號(hào)增強(qiáng)，電容器的物理變形越大，最終導(dǎo)致電容器的容值改變。對(duì)于圖1所示的隔直電容器，由于逆向壓電效應(yīng)，電容器容值變化會(huì)使得音頻放大器輸出增益非線性改變。
AV = RF/(1/sCIN + RIN).
由上式可見(jiàn)，電容的非線性變換主要影響音頻系統(tǒng)的低頻響應(yīng)，這是因?yàn)槠涞皖l阻抗在增益等式中占主要成份，其結(jié)果導(dǎo)致音頻系統(tǒng)響應(yīng)失真。
該逆向壓電效應(yīng)是目前為止對(duì)音頻低頻響應(yīng)影響最大的因數(shù)（見(jiàn)圖2）。當(dāng)該電容的容值等于音頻放大器的輸入阻抗時(shí)（或當(dāng)f-3dB = 1/(2RINCIN)，其影響最大。對(duì)于一個(gè)典型的音頻放大器，其f-3dB 點(diǎn)通常在100Hz或低于100Hz 。
雖然逆向壓電效應(yīng)在2類(lèi)低電介質(zhì)電容器中是影響電壓系數(shù)的主要因數(shù)，然而有趣的是，這些電容器容值改變量與是否施加交流電壓或恒定的直流偏置關(guān)系很大。
交流電壓的影響
雖然電容器的容值隨所加直流電壓增加減小，但卻隨所施加交流電壓幅值增加而增加（在一個(gè)合理范圍內(nèi)），見(jiàn)圖3。
當(dāng)AC電壓增大到一定值時(shí)，電容器的容值又會(huì)減小，不過(guò)，對(duì)于通常的PC音頻電路，一般不會(huì)有如此大的AC電壓，因此本文不予分析。
圖3逆向壓電效應(yīng)引起電容非線性變化導(dǎo)致音頻系統(tǒng)THD增加說(shuō)明見(jiàn)圖4。
把一個(gè)X7R陶瓷電介質(zhì)電容器串連在MAXIM公司的音頻放大器（輸入阻抗 40kΩ）輸入端，CDUT 在10V電壓（0603）和25V電壓（1206）改變引入THD＋N。精密音頻測(cè)試儀掃描，監(jiān)測(cè)輸出波形在小于等于1kHz時(shí)的失真度。請(qǐng)注意，10V額定耐壓電容器的輸出失真比25V額定耐壓電容器的失真大。
低耐壓（即高電壓系數(shù)）產(chǎn)生較大THD是因?yàn)殡娙萜髟谕瑯与妷合履嫦驂弘娦Ч黠@，當(dāng)輸入耦合電容器的阻抗等于音頻放大器的輸入阻抗時(shí)，產(chǎn)生的失真最大。（見(jiàn)圖5）
由于電壓系數(shù)隨電容器額定耐壓值增加而減小，因此較低頻帶的THD被減小。對(duì)于2類(lèi)介電質(zhì)電容器，選擇標(biāo)稱(chēng)耐壓高的產(chǎn)品更容易通過(guò)微軟公司的Vista 音頻認(rèn)證，不過(guò)電容器的尺寸會(huì)隨耐壓值的升高而變大。 例如，一個(gè) 1.0mF ± 20% ，10V 額定耐壓的陶瓷電容器的尺寸為：0603，而同樣容值，額定耐壓 25V的陶瓷電容器的尺寸則增大到 1206 。 盡管最近超小型筆記本電腦和臺(tái)式電腦主板越來(lái)越小，但為了遵從微軟Vista視窗操作系統(tǒng)20Hz~20kHz音頻帶寬內(nèi)的THD＋N規(guī)范，通常仍采用大尺寸電容器作為耳機(jī)放大器輸入隔直電容。
電介質(zhì)種類(lèi)
電容器的介質(zhì)種類(lèi)影響THD大小。不同的介質(zhì)產(chǎn)生的THD大小不一。在圖6中我們用THD＋N進(jìn)行量化說(shuō)明。一個(gè)1.0mF, 0603大小，16V額定耐壓陶瓷電容器被放置在MAXIM公司40kΩ輸入阻抗的音頻放大器的輸入作為隔直電容（CDUT），CDUT由于介質(zhì)不同改變值也不一樣（ X7R或 Y5V）, 從而導(dǎo)致20Hz~20kHz頻帶的THD＋N也不同（采用精密音頻信號(hào)測(cè)試儀對(duì)輸出信號(hào)的20Hz~20kHz頻率成份進(jìn)行掃描測(cè)量）。頻率高于1kHz后，由于音頻放大器減小的環(huán)路增益抑制了電路失真，因此頻率高于1kHz后，電容值的改變對(duì)THD影響很小，所以圖中X7R，Y5V和PlaSTIc電容器的頻率失真曲線幾乎完全重合（>1kHz）。同時(shí)需要注意的是，圖中THD＋N曲線從6.3kHz開(kāi)始下滾（迅速下降），這主要是由于在頻譜分析儀輸入端有一個(gè)AES-17 (Audio Engieering Society) 20kHz 濾波器的緣故。根據(jù)該測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，20kHz以上的輸入頻率成份及高于6.3kHz的輸入頻率成份的3次諧波需要被快速衰減。 |
