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正確選擇高端音頻應(yīng)用中前置運(yùn)算放大器/功率放大器周邊電阻,最有效避免或減少信號通道噪聲或失真
文章來源: 更新時(shí)間:2010/11/4 12:40:00
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 對于高端音頻設(shè)備,認(rèn)真選擇電阻是避免或減少信號通道噪聲或失真的一種最有效的方法。本文介紹采用現(xiàn)有各種電阻技術(shù)生產(chǎn)的電阻產(chǎn)生的噪聲,以及每種電阻引入的典型噪聲量。

噪聲是疊加在有用信號上的一種不應(yīng)有的寬頻譜信號,包括DC。與其他無源器件一樣,電阻是一種噪聲源,其嚴(yán)重程度取決于電阻值、溫度、施加的電壓和電阻類型。業(yè)界為了證明為什么有些電阻比其他電阻“噪聲大”做了大量實(shí)驗(yàn),但音頻專家和發(fā)燒友唯一達(dá)成共識的實(shí)驗(yàn),則是在實(shí)際音頻系統(tǒng)使用不同電阻技術(shù)的情況下對比保真度的結(jié)果。

電阻噪聲

電阻整體噪聲由多種分量組成。與音頻應(yīng)用最相關(guān)的是熱噪聲和電流噪聲。

熱噪聲的顯著特點(diǎn)是與電阻材料無關(guān)。事實(shí)上,在電阻和溫度相同的情況下,任何類型電阻的熱噪聲是一樣的。

熱噪聲電壓功率譜密度ST [V2/Hz] 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)均勻分布,可采用以下公式表示 [1, p.76]:

ST = 4kTR

式中
R - 電阻阻抗 [Ω],
T - 電阻溫度 [K],
k = 1.3807×10-23 J/K - 玻爾茲曼常數(shù)。

另一方面,電流噪聲與電阻材料的類型直接相關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明,電流噪聲的電壓功率譜密度與電阻DC壓降U的平方成正比,與頻率f成反比 [2, p.164]:

SE = (C ? U2) / f

C是常數(shù),依電阻元件的材料及其生產(chǎn)工藝而定。電阻總噪聲電壓功率譜密度S如圖1所示。

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圖1: 電阻總噪聲電壓功率譜密度。(電流噪聲為主 熱噪聲為主)

電阻電流噪聲大小通常以μV/V或分貝為單位表示 (稱為噪聲指數(shù) [NI]dB)

[NI]dB = 20log[(u / U) ? 106]

式中,u代表十倍頻帶寬均方根噪聲電壓,U代表電阻DC壓降。u和U以伏為單位測量。噪聲指數(shù)越低,電阻的電流噪聲越小。

下圖所示為采用不同技術(shù)生產(chǎn)的電阻的噪聲指數(shù)

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圖2. 商品化電阻平均噪聲指數(shù)

從圖中可以看出,基于碳阻材料的電阻,如碳質(zhì)電阻和厚膜電阻,電流噪聲最高。為什么? 因?yàn)檫@類電阻元件材料的不均勻性非常高。復(fù)合材料中的傳導(dǎo)通道是由孤立矩陣中相互連接的導(dǎo)電粒子構(gòu)成的。當(dāng)電流通過時(shí),這些“相接點(diǎn)”接觸不穩(wěn)會(huì)產(chǎn)生噪聲。

薄膜電阻結(jié)構(gòu)相當(dāng)均勻,因此噪聲小。薄膜電阻采用蒸發(fā)或?yàn)R射技術(shù),將電阻材料 (如氧化鉭TaN,硅鉻SiCr和鎳鉻NiCr) 附著在陶瓷基片上。涂層的厚度一般為10到500埃,取決于阻值。

薄膜電阻噪聲是由于阻塞、表面不平整、沉淀層不均勻造成的,鍍膜越薄,這種情況越嚴(yán)重。這是為什么電阻膜越厚,阻值越小,噪聲越低的原因。在對電阻的觀察中可以看到,大金屬箔電阻元件噪聲最低:金屬箔電阻和線繞電阻。線繞電阻的電阻絲采用類似金屬箔的金屬合金,但電阻元件細(xì)絲接頭處和比較粗糙的電阻端子會(huì)增加噪聲。金屬箔電阻的端子和電阻元件是一體的,因此避免了這一問題。

不過,感應(yīng)是線繞電阻存在的主要缺陷,會(huì)造成浪涌信號峰值,其嚴(yán)重程度取決于電阻相對于信號頻率的阻抗。此外,還必須特別注意線繞電阻阻抗產(chǎn)生的以下影響:

●音頻放大器可能會(huì)產(chǎn)生5 MHz至50 MHz自激振蕩,影響音頻質(zhì)量 [3, p.22-6]。

●等效電感(ESL)會(huì)產(chǎn)生很大相移,影響音頻音質(zhì)[3, p.22-6]。

●線圈會(huì)拾取電磁干擾(EMI)信號,增加實(shí)際電流噪聲 [2, p.167]。

金屬膜電阻采用化學(xué)蝕刻平面金屬箔片的方法加工,相鄰電流傳輸通道的電流沿相對方向流動(dòng),消除了這些通道中的寄生感應(yīng),因此可以避免上述問題。同時(shí),通道間電容可以串聯(lián),從而有效降低電阻的寄生電容。這些低電感/電容電阻未測出峰-峰信號失真。

高端音頻應(yīng)用中的金屬膜電阻

高端模擬音頻應(yīng)用要求固有噪聲低、放大線性高、動(dòng)態(tài)失真小。典型音頻放大器包括電壓前置放大器(前置放大)和功率放大器(末級驅(qū)動(dòng))。電壓前置放大器處理低電平信號。因此,其固有噪聲的大小非常重要。電阻是放大器中的主要噪聲源。

高線性放大和動(dòng)態(tài)失真小是音頻功放的主要要求。金屬膜電阻是固有非線性極低的電阻元件,以大金屬箔片為原料。線繞電阻與某些金屬膜電阻的非線性特性相似,但在實(shí)際環(huán)境下,這種電阻的固有線性不足以保證線性放大。

音頻功放電路設(shè)計(jì)往往與運(yùn)算放大器相同 (如圖3所示)。

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圖3:音頻功放電路設(shè)計(jì)

其增益

k = 1 + R2 / R1

取決于負(fù)反饋分壓電路中R2/R1的電阻比。電阻R1和R2耗散功率分別為

P1 = [VO / (R1 + R2)]2 R1



P2 = [VO / (R1 + R2)]2 R2

因此

P2 / P1 = R2 / R1

一般情況下,k > 2,因此R2 > R1。這意味著,電阻R2的功率耗散和升溫總是高于電阻R1的功率耗散和升溫。

即使兩個(gè)電阻的TCR相同 (理想情況下),放大器的增益也不一樣,因?yàn)镽2/R1的電阻比由輸出電壓VO決定。因此,聲音信號通常存在的尖峰和脈沖會(huì)造成放大器增益瞬時(shí)變化。這種結(jié)果是輸入電壓VI與輸出電壓VO之間的相互關(guān)系產(chǎn)生的非線性 (如圖4所示)。

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圖4:即使兩個(gè)電阻的TCR相同 (理想情況下),放大器的增益也不一樣。

這種現(xiàn)象稱為溫度導(dǎo)致的放大器非線性。這是由于電阻自熱造成的,是電阻功率系數(shù)(PCR)的一種量化特征。減輕PCR的一種方法是選擇TCR絕對值小的R1和R2電阻。

例如,同時(shí)給采用不同技術(shù)生產(chǎn)的三個(gè)1206大小的貼片電阻施加0.3 W負(fù)載:

●厚膜貼片電阻,TCR約為+ 42ppm/°C
●薄膜貼片電阻,TCR約為+ 4ppm/°C
●基于Z-Foil技術(shù)的大金屬箔(Bulk Metal Foil)電阻,TCR約為 -0.1 ppm/°C。

測試結(jié)果如下圖所示。

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圖5. 三類電阻自熱阻抗 (電阻功率系數(shù)) 效果,在0.3-W 功率負(fù)載下持續(xù)測量9秒

相對阻抗穩(wěn)定值變化如下:

●厚膜貼片電阻:+2000 ppm;
●薄膜貼片電阻:-140 ppm;
●Bulk Metal Z-Foil電阻:+5 ppm.

當(dāng)要求高線性放大、低動(dòng)態(tài)失真時(shí),大金屬箔電阻是音頻放大器的首選。我們特別推薦 VAR、Z201、S102C、Z203、VSHZ、VSMP 系列 (0603-2018),VFCP 系列,SMRXDZ 系列電阻,這些電阻在音頻應(yīng)用中無噪聲。

 
 
 
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