對于高端音頻設(shè)備，認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”做了大量實驗，但音頻專家和發(fā)燒友唯一達成共識的實驗，則是在實際音頻系統(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。
熱噪聲的顯著特點是與電阻材料無關(guān)。事實上，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)。實驗證明，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。
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)
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? 因為這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，這些“相接點”接觸不穩(wěn)會產(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)或濺射技術(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，但電阻元件細絲接頭處和比較粗糙的電阻端子會增加噪聲。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，會造成浪涌信號峰值，其嚴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)會產(chǎn)生很大相移，影響音頻音質(zhì)[3, p.22-6]。
●線圈會拾取電磁干擾(EMI)信號，增加實際電流噪聲 [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，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，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）。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)計往往與運算放大器相同 (如圖3所示)。
圖3：音頻功放電路設(shè)計
其增益
k = 1 + R2 / R1
取決于負反饋分壓電路中R2/R1的電阻比。電阻R1和R2耗散功率分別為
P1 = [VO / (R1 + R2)]2 R1
和
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。
即使兩個電阻的TCR相同 (理想情況下)，放大器的增益也不一樣，因為R2/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造成放大器增益瞬時變化。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)。
圖4：即使兩個電阻的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，同時給采用不同技術(shù)生產(chǎn)的三個1206大小的貼片電阻施加0.3 W負載：
●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。
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、低動態(tài)失真時，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。 |
