摘要：阻容元件是在音響設備中使用量最大的無源器件，近年來國內(nèi)的音響制造商，在設計音源(CD或DVD)、功率放大器的過程中，非常重視集成塊(IC)、晶體三極管、場效應管及電子管等有源器件的選用，在電路設計、產(chǎn)品工藝等方面取得了長足的進步。但在高附加值的HI-END級音響產(chǎn)品領域，與歐美國家存在較大的差距。原因之一是對電阻、電容等無源器件的選用重視不夠。為了提高音響設備的重放效果，通過對阻容元件的分析、研究，采用同一套音響設備、不同的阻容元件進行比較測試，發(fā)現(xiàn)阻容元件對音響設備的影響不容小視，合理選擇阻容元件可提高音響設備的性能指標和重放效果。

音響設備主要由音源(CD或DVD)、前級均衡放大器(功放前級)和后級功率放大器(功放后級)組成，以上設備中的音頻放大部分基本采用集成塊(IC)和分立元件兩種模式。集成塊模式大多由集成運算放大器和阻容元件組成，而分立元件模式大多由晶體三極管、場效應管或電子管和阻容元件組成。一直以來，我們在設計音響設備的時候，非常重視集成塊(IC)、晶體三極管、場效應管或電子管有源器件的選用，而對電阻、電容等無源器件的選用就比較隨便。不少人認為阻容元件對聲音影響不大，的確，在要求不高的場合，如一般的家庭影院、電腦音響、彩電的伴音電路，可采用普通的阻容元件；但在高端音頻設備中，必須慎重地選擇電阻、電容等元器件，否則，就難以達到HI-FI或HI-END的水準。

1 關于電阻器

電阻器是各種電路中使用量最多的器件，在HI-FI或HI-END設備中，電阻器的選用將直接影響設備的性能指標，如信噪比、保真度等。進入工作狀態(tài)的電阻器會產(chǎn)生噪聲，噪聲大小取決于電阻值、溫度、施加的電壓以及電阻器類型。電阻器總噪聲由多個成分組成。與各種音頻電路密切相關的是熱噪聲和電流噪聲。

1．1 電阻器的熱噪聲

在電阻器中，由于電子的不規(guī)則熱運動，在一個足夠小的體積內(nèi)，電子濃度的瞬時值存在不規(guī)則的起伏，電位也發(fā)生不規(guī)則的起伏，因此，電阻體任意兩小塊體積之間就形成一個起伏的電位差，這就是電阻的熱噪聲。在頻率特性上，它屬于白噪聲，即頻譜等幅均勻分布的，如圖1所示。在頻寬內(nèi)，熱噪聲的均方根值可表示為

式中：R為電阻器的電阻值，單位為Ω；T為電阻器溫度單位為K；k=1．380 7×10-23 J／K為玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)。上式表明，電阻器的熱噪聲與電阻材料無關，與電阻值、溫度和頻寬成正比。熱噪聲是一種不可抑制的物理現(xiàn)象，在任何類型的電阻器中都存在，不能通過改變電阻器的質量來消除。

1．2 電阻器的電流噪聲

電阻器的電流噪聲與電阻材料、工藝、類型(非線性大小)具有直接關系。電阻器的非線性反映電阻體材料內(nèi)部結構的不致密和不連續(xù)(非均質)的程度，因此在一定程度上反映了電阻器質量的好壞。通過實驗發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)電阻器都存在一定的非線性。對于非線性電阻器，電流噪聲的均方根值可表示為：

式中，K是取決于電阻元件材料及其制造工藝的常數(shù)，U是電阻器兩端的直流電壓降，△f為頻寬，為信號頻率。上式表明，在一定的△f頻寬內(nèi)，電流噪聲SE與電阻器上的直流電壓降U的平方成正比，與頻率成反比。當U、R、△f確定之后，電流噪聲SE與頻率f的關系可用圖2來表示。

電阻器中電流噪聲等級通常用噪聲指數(shù)[NI]dB來表示

式中，u是帶寬上的均方根噪聲電壓，而U是電阻器上的直流電壓降，u和U的測量單位均是V。[NI]的單位是dB。

圖3為商用電阻器的平均噪聲指數(shù)。圖中，基于復合電阻材料(如碳和厚膜)的電阻器的電流噪聲等級最高。這是由于這些電阻元件材料的顯著非均質性造成的。這些復合材料中的導電路徑是由隔離矩陣中相互接觸的導電粒子形成的。當電流流經(jīng)這些“接觸位置”中的不穩(wěn)定接觸點時，它們便產(chǎn)生噪聲。而薄膜電阻具有相當強的均質結構，因此噪聲較低。薄膜是通過在陶瓷基板上蒸發(fā)或者噴濺電阻材料

(例如：氮化鉭TaN、硅鉻SiCr和鎳鉻NiCr)沉積形成的。金屬箔電阻和繞線電阻的噪聲等級最低。這兩類電阻器一般采用合金材料制成，而合金材料的致密性、勻質性較好，因此噪聲低；其噪聲主要來自電阻體與電阻引腳接合點處，可能產(chǎn)生額外的噪聲。然而，繞線電阻器的主要缺陷是其電感，在使用中需格外關注。

2 關于電容器

在音頻信號產(chǎn)生的交變電場作用下，電容器表現(xiàn)出復雜的阻抗性質，一個電容器可以用一個RLC串聯(lián)電路來等效，等效電路如圖4所示。圖中，C為等效電容，L為等效串聯(lián)電感(ESL)，r等效串聯(lián)電阻(ESR)?？捎孟铝凶杩故奖硎?，即

式中：ω=2π

當音頻信號頻率上升時，電容器的容抗減小、感抗增大，XL>XC，等效電路呈現(xiàn)電感性，并且頻率越高，感抗越大，如圖5中右側曲線；當頻率下降時，容抗增大、感抗減小，XC>XL，等效電路呈現(xiàn)電容性，頻率越低，容抗越大，見圖5左側曲線；當f=f0時，XC=XL，RLC電路發(fā)生串聯(lián)諧振，等效阻抗為r。因此電容器的阻抗隨頻率變化具有U型特性，如圖5所示。從圖5中可知，電容器的工作頻率上限fH

等效串聯(lián)電感(ESL)的存在給電容器的性能產(chǎn)生不良的影響：1)限制了電容器的上限工作頻率，電容器的等效電感越大，工作頻率越低；2)影響甚至改變輸入脈沖電壓的波形；3)影響電容器充放電的速度。4)等效串聯(lián)電阻(ESR)會給電容器帶來損耗。

對于陶瓷電容器，它是以陶瓷作為電容的介質。由于陶瓷材料具有壓電特性，所以當陶瓷電容C兩端的電壓改變時，其容量也發(fā)生改變。以常見1 000 pF的陶瓷電容為例，據(jù)測試，當陶瓷電容C兩端的電壓從0～15 V變化時，其容量C從963～982 pF變化。

若以陶瓷電容C組成一個RC耦合電路，如圖6所示。在輸入端輸入正弦波，在波峰或波谷到來時，電容器的偏壓最大，而在0軸時偏壓最小。一個周期的信號通過電容器時，電容器的容量經(jīng)歷一個由小到大，再由大到小的變化過程。RC耦合電路的輸出電壓表達式為：

若輸入的是標準的正弦波，則輸出的波形將發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波失真，表明陶瓷電容具有非線性特征?？疾焐鲜剑谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)，信號頻率越高，容抗就越小，當XC<

3 阻容元件對音響設備的影響

在常溫下，設音源中音頻放大電路有一阻值為10 kΩ的電阻，則當音響設備音源、功放的帶寬為20 kHz時，電阻的熱噪聲電熱約為1．5 μV，電流噪聲約為0．5μV，合計約為2μV；此時，假設音源CD唱機音頻放大電路的電壓增益為20 dB，功放前級的電壓增益為20 dB，功放后級的電壓增益為20 dB，音響設備總的電壓增益為60 dB，即電壓放大倍數(shù)為1 000倍，則功放輸出的噪聲電壓為Vo=2μVx1 000=2 mV。隨著溫度的上升，輸出的噪聲電壓將大于2 mV。

如果音源的音頻放大部分采用RC耦合電路，音源輸出信號的諧波失真為0．05％，功放前后級總的電壓增益為40 dB，即電壓放大倍數(shù)為100倍，則功放輸出信號的諧波失真為100x0．05％=5％。若采用陶瓷電容，則諧波失真會更大。另外，電容器的等效串聯(lián)電阻、電感還會影響電容器充放電的速度，引起音頻信號的瞬態(tài)失真。

對于普通的音響設備來說，輸出的噪聲電壓為2 mV，諧波失真為5％。一般人不易察覺，對于普通用戶，在要求不高的場合是可以接受的。但對于HI-FI或HI-END音響設備來說，是不能容忍的。因為HI-FI或HI-END音響設備要求背景非常寧靜，各項性能指標要求也較高，即使2 mV的噪聲電壓，也會影響背景的寧靜度，5％的諧波失真就更不用說了。

4 阻容元件的選用

4．1 電阻元件的選擇

為保證FI或HI-END音響設備的高保真度，根據(jù)以上分析，音源、前后級功放應考慮選擇金屬膜電阻或薄膜電阻，大電流部分可采用無感陶瓷電阻；阻值誤差要小，電阻的標稱功率應大于實際消耗功率，一般不小于實際消耗功率的兩倍，以降低電阻的溫度，減小電阻的熱噪聲和電流噪聲，提高音響設備的信噪比。目前，歐美等國家生產(chǎn)的電阻、電容性能比國產(chǎn)的好，如美國DALE軍用電阻，西電瓷管線繞精密電阻，性能穩(wěn)定，用于電源濾波、陰極電阻，音質佳、噪聲小；西電(黑排骨)精密電阻，如用作單端功放管300B，F(xiàn)U50膽機陰極電阻，性能穩(wěn)定，音色極佳。又如法國金屬膜電阻，精度高，誤差小于1％，用于音響配對電阻一致性好，平衡度高，音質晶瑩細膩，噪聲小。

4．2 電容元件的選擇

對于電容器，1)能不用電容就盡量不用，2)不選用陶瓷電容，3)需要使用電容器的場合，應選擇等效串聯(lián)電阻ESR、電感ESL小，介質損耗小、漏電電流小，高頻性能好(f0較高)的電容。電容器標稱參數(shù)，1)電容量，就是電容器外殼上所標出的數(shù)值，常用μF、pF表示，2)安全工作電壓(指電容器工作電壓的標稱值)，實際工作電壓為額定標稱值的2／3左右是比較合理可靠的，一般來說標稱電壓越高，漏電流越??；3)溫度，常見的大多為85℃、105℃。高溫條件下(例如電子管功放或純甲類晶體管功放)要優(yōu)選105℃標稱的電容器。一般情況下，選用溫度系數(shù)高的電容對于改善其他性能也有積極的幫助，最好選用音響專用電容。如丹麥JENSEN鋁箔電容、銅膜電容、銅管電容，美國SPRAGUE電容、思碧維他命Q油浸電容，德國著名的ROE電解電容、日本的ELNA電容等，這些電容的音色有各自特點。

在音響電路中，用得最多的是有機、無機介質電容和電解電容。電路選定后，電容器還是影響放大器音質、音色的主要因素之一。同一電路，更換不同類型的電容器，音質、音色就有不同的變化。這是因為不同的電容，雖然其容量和耐壓都一樣，但其制作工藝及材質不同，固有的介質損耗、絕緣電阻、介質充放電速率以及串聯(lián)等效電感等相差懸殊。為了避免電容器給信號傳輸帶來的不良影響，最好把音頻放大電路的級間耦合設計成直流耦合(DC)電路；對于無法采用直流耦合的電子管音頻放大器，級間耦合應采用品質好的電容器，如法國的SOLEN、德國的VIMA等品牌的電容器。該電容品質一流，其容量誤差小于3％，自身的電感量均小于50 nH，其諧波失真(THD)小于0．001％，非常適合作為級間耦合電容。如果在電源濾波、退耦的電解電容兩端并聯(lián)SOLN或VIMA小電容，還可以有效地抑制電力網(wǎng)帶來的高頻干擾。

5 結束語

綜上所述，阻容元件對HI-END級(高級)音頻放大器的音質和音色是有影響的。有經(jīng)驗的音響愛好者，對于音質、音色表現(xiàn)一般的CD唱機或音頻放大器，通過更換一些優(yōu)質的音頻專用阻容元件，能收到一定的效果。目前，歐美國家的音響制造商，逐步采用貼片阻容元件，來減少阻容元件帶來的不良影響，效果比較明顯。