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。
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?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)。
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
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(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)。
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。
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。 |
