阻容元件对音频放大器的影响及其选用

阻容元件是在音响设备中使用量最大的无源器件，近年来国内的音响制造商，在设计音源(CD或DVD)、功率放大器的过程中，非常重视集成块(IC)、晶体三极管、场效应管及电子管等有源器件的选用，在电路设计、产品工艺等方面取得了长足的进步。但在高附加值的HI-END级音响产品领域，与欧美国家存在较大的差距。原因之一是对电阻、电容等无源器件的选用重视不够。为了提高音响设备的重放效果，通过对阻容元件的分析、研究，采用同一套音响设备、不同的阻容元件进行比较测试，发现阻容元件对音响设备的影响不容小视，合理选择阻容元件可提高音响设备的性能指标和重放效果。

音响设备主要由音源(CD或DVD)、前级均衡放大器(功放前级)和后级功率放大器(功放后级)组成，以上设备中的音频放大部分基本采用集成块(IC)和分立元件两种模式。集成块模式大多由集成运算放大器和阻容元件组成，而分立元件模式大多由晶体三极管、场效应管或电子管和阻容元件组成。一直以来，我们在设计音响设备的时候，非常重视集成块(IC)、晶体三极管、场效应管或电子管有源器件的选用，而对电阻、电容等无源器件的选用就比较随便。不少人认为阻容元件对声音影响不大，的确，在要求不高的场合，如一般的家庭影院、电脑音响、彩电的伴音电路，可采用普通的阻容元件；但在高端音频设备中，必须慎重地选择电阻、电容等元器件，否则，就难以达到HI-FI或HI-END的水准。

1 关于电阻器
电阻器是各种电路中使用量最多的器件，在HI-FI或HI-END设备中，电阻器的选用将直接影响设备的性能指标，如信噪比、保真度等。进入工作状态的电阻器会产生噪声，噪声大小取决于电阻值、温度、施加的电压以及电阻器类型。电阻器总噪声由多个成分组成。与各种音频电路密切相关的是热噪声和电流噪声。
1．1 电阻器的热噪声
在电阻器中，由于电子的不规则热运动，在一个足够小的体积内，电子浓度的瞬时值存在不规则的起伏，电位也发生不规则的起伏，因此，电阻体任意两小块体积之间就形成一个起伏的电位差，这就是电阻的热噪声。在频率特性上，它属于白噪声，即频谱等幅均匀分布的，如图1所示。在频宽内，热噪声的均方根值可表示为
ST=4kTR△f…… (1)

式中：R为电阻器的电阻值，单位为Ω；T为电阻器温度单位为K；k=1．380 7×10-23 J／K为玻尔兹曼(Boltzmann)常数。上式表明，电阻器的热噪声与电阻材料无关，与电阻值、温度和频宽成正比。热噪声是一种不可抑制的物理现象，在任何类型的电阻器中都存在，不能通过改变电阻器的质量来消除。
1．2 电阻器的电流噪声
电阻器的电流噪声与电阻材料、工艺、类型(非线性大小)具有直接关系。电阻器的非线性反映电阻体材料内部结构的不致密和不连续(非均质)的程度，因此在一定程度上反映了电阻器质量的好坏。通过实验发现，大多数电阻器都存在一定的非线性。对于非线性电阻器，电流噪声的均方根值可表示为：


式中，K是取决于电阻元件材料及其制造工艺的常数，U是电阻器两端的直流电压降，△f为频宽，为信号频率。上式表明，在一定的△f频宽内，电流噪声SE与电阻器上的直流电压降U的平方成正比，与频率成反比。当U、R、△f确定之后，电流噪声SE与频率f的关系可用图2来表示。

电阻器中电流噪声等级通常用噪声指数[NI]dB来表示


式中，u是带宽上的均方根噪声电压，而U是电阻器上的直流电压降，u和U的测量单位均是V。[NI]的单位是dB。

图3为商用电阻器的平均噪声指数。图中，基于复合电阻材料(如碳和厚膜)的电阻器的电流噪声等级最高。这是由于这些电阻元件材料的显著非均质性造成的。这些复合材料中的导电路径是由隔离矩阵中相互接触的导电粒子形成的。当电流流经这些"接触位置"中的不稳定接触点时，它们便产生噪声。而薄膜电阻具有相当强的均质结构，因此噪声较低。薄膜是通过在陶瓷基板上蒸发或者喷溅电阻材料

(例如：氮化钽TaN、硅铬SiCr和镍铬NiCr)沉积形成的。金属箔电阻和绕线电阻的噪声等级最低。这两类电阻器一般采用合金材料制成，而合金材料的致密性、匀质性较好，因此噪声低；其噪声主要来自电阻体与电阻引脚接合点处，可能产生额外的噪声。然而，绕线电阻器的主要缺陷是其电感，在使用中需格外关注。

2 关于电容器
在音频信号产生的交变电场作用下，电容器表现出复杂的阻抗性质，一个电容器可以用一个RLC串联电路来等效，等效电路如图4所示。图中，C为等效电容，L为等效串联电感(ESL)，r等效串联电阻(ESR)。可用下列阻抗式表示，即


式中：ω=2π

当音频信号频率上升时，电容器的容抗减小、感抗增大，XL>XC，等效电路呈现电感性，并且频率越高，感抗越大，如图5中右侧曲线；当频率下降时，容抗增大、感抗减小，XC>当音频信号