微軟公司新一代視窗操作系統(tǒng)Vista對臺式和筆記本電腦的音質(zhì)提出了更高要求。電腦生產(chǎn)廠商必須滿足其音質(zhì)規(guī)范才能得到Windows Vista LOGO 授權(quán)許可。這些新的規(guī)范主要包括音頻信號的THD+N(總失真度+噪音)，動態(tài)范圍及交叉干擾等音頻指標(biāo)。
音頻放大器并非理想器件，其輸出會產(chǎn)生THD+N，而音頻信號通道中的無源器件對系統(tǒng)THD影響也很大。本文詳細(xì)介紹了音頻通道中的無源器件如何產(chǎn)生THD，并重點分析了非理想的2類電介質(zhì)多層陶瓷電容器對THD的影響。
無源器件是否能成功設(shè)計音頻系統(tǒng)至關(guān)重要，因為它們可確定系統(tǒng)增益，提供合適偏置，抑制電源噪聲干擾，隔離直流等。不幸的是，便攜式設(shè)備由于體積、高度、成本的限制，它們只能采用小尺寸、低成本的器件。因此，如果不能真正了解這些小尺寸、低成本無源器件的非線性特性，要想通過微軟的Vista認(rèn)證十分困難。
實際的電容器與理想的電容器的差異可以用電壓系數(shù)、溫度系數(shù)、壓電效應(yīng)、等效串聯(lián)電阻、電感、漏電流、介質(zhì)吸收及公差等量化表達(dá)。其中優(yōu)化設(shè)計音頻系統(tǒng)最重要的兩個參量是電容的電壓系數(shù)和逆向壓電效應(yīng)(對電壓系數(shù)影響最大的參數(shù))。
壓電效應(yīng)
壓電效應(yīng)是特定晶體的專有特性：在機(jī)械應(yīng)力作用下，它們能產(chǎn)生電荷。對于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，當(dāng)無外部機(jī)械壓力時，由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，無電荷輸出;一旦晶體受到外部應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)的對稱性受到破壞，則產(chǎn)生凈電荷。
而逆向壓電效應(yīng)則正好相反：當(dāng)施加一個變換的電場時，晶體或物質(zhì)的機(jī)械尺寸發(fā)生改變。K因子大的電容器(譬如，2類電介質(zhì))當(dāng)外部施加電信號時，會有明 顯的逆壓電效應(yīng)發(fā)生，結(jié)果導(dǎo)致電容器的機(jī)械尺寸改變。隨著電信號增強(qiáng)，電容器的物理變形越大，最終導(dǎo)致電容器的容值改變。對于圖1所示的隔直電容器，由于 逆向壓電效應(yīng)，電容器容值變化會使得音頻放大器輸出增益非線性改變。
AV = RF/(1/sCIN + RIN).
由上式可見，電容的非線性變換主要影響音頻系統(tǒng)的低頻響應(yīng)，這是因為其低頻阻抗在增益等式中占主要成份，其結(jié)果導(dǎo)致音頻系統(tǒng)響應(yīng)失真。
該逆向壓電效應(yīng)是目前為止對音頻低頻響應(yīng)影響最大的因數(shù)(見圖2)。當(dāng)該電容的容值等于音頻放大器的輸入阻抗時(或當(dāng)f-3dB = 1/(2RINCIN)，其影響最大。對于一個典型的音頻放大器，其f-3dB 點通常在100Hz或低于100Hz 。
雖然逆向壓電效應(yīng)在2類低電介質(zhì)電容器中是影響電壓系數(shù)的主要因數(shù)，然而有趣的是，這些電容器容值改變量與是否施加交流電壓或恒定的直流偏置關(guān)系很大。
交流電壓的影響
雖然電容器的容值隨所加直流電壓增加減小，但卻隨所施加交流電壓幅值增加而增加(在一個合理范圍內(nèi))，見圖3。
當(dāng)AC電壓增大到一定值時，電容器的容值又會減小，不過，對于通常的PC音頻電路，一般不會有如此大的AC電壓，因此本文不予分析。
圖3逆向壓電效應(yīng)引起電容非線性變化導(dǎo)致音頻系統(tǒng)THD增加說明見圖4。
把一個X7R陶瓷電介質(zhì)電容器串連在 MAXIM公司的音頻放大器(輸入阻抗 40kΩ)輸入端，CDUT 在10V電壓(0603)和25V電壓(1206)改變引入THD+N。精密音頻測試儀掃描，監(jiān)測輸出波形在小于等于1kHz時的失真度。請注意，10V 額定耐壓電容器的輸出失真比25V額定耐壓電容器的失真大。
低耐壓(即高電壓系數(shù))產(chǎn)生較大THD是因為電容器在同樣電壓下逆向壓電效果更明顯，當(dāng)輸入耦合電容器的阻抗等于音頻放大器的輸入阻抗時，產(chǎn)生的失真最大。(見圖5)
由于電壓系數(shù)隨電容器額定耐壓值增加而減小，因此較低頻帶的THD被減小。對于2類介電質(zhì)電容器，選擇標(biāo)稱耐壓高的產(chǎn)品更容易通過微軟 公司的Vista 音頻認(rèn)證，不過電容器的尺寸會隨耐壓值的升高而變大。 例如，一個 1.0mF ± 20% ，10V 額定耐壓的陶瓷電容器的尺寸為：0603，而同樣容值，額定耐壓 25V的陶瓷電容器的尺寸則增大到 1206 。 盡管最近超小型筆記本電腦和臺式電腦主板越來越小，但為了遵從微軟Vista視窗操作系統(tǒng)20Hz~20kHz音頻帶寬內(nèi)的THD+N規(guī)范，通常仍采用大 尺寸電容器作為耳機(jī)放大器輸入隔直電容。
電介質(zhì)種類
電容器的介質(zhì)種類影響THD大小。不同的介質(zhì)產(chǎn)生的THD大小不一。在圖6 中我們用THD+N進(jìn)行量化說明。一個1.0mF, 0603大小，16V額定耐壓陶瓷電容器被放置在MAXIM公司40kΩ輸入阻抗的音頻放大器的輸入作為隔直電容(CDUT)，CDUT 由于介質(zhì)不同改變 值也不一樣( X7R或 Y5V), 從而導(dǎo)致20Hz~20kHz頻帶的THD+N也不同(采用精密音頻信號測試儀對輸出信號的20Hz~20kHz頻率成份進(jìn)行掃描測量)。頻率高于 1kHz后，由于音頻放大器減小的環(huán)路增益抑制了電路失真，因此頻率高于1kHz后，電容值的改變對THD影響很小，所以圖中X7R，Y5V和 Plastic電容器的頻率失真曲線幾乎完全重合(>1kHz)。同時需要注意的是，圖中THD+N曲線從6.3kHz開始下滾(迅速下降)，這主 要是由于在頻譜分析儀輸入端有一個AES-17 (Audio Engieering Society) 20kHz 濾波器的緣故。根據(jù)該測量標(biāo)準(zhǔn)，20kHz以上的輸入頻率成份及高于6.3kHz的輸入頻率成份的3次諧波需要被快速衰減。
因此考慮音頻通的電容器時，選擇X7R介質(zhì)電容器引入的THD較低，雖然X5R介質(zhì)電容器的性能也比Y5V好，但采用X7R介質(zhì)電容器引入的THD在2類介質(zhì)電容器中得到的音頻品質(zhì)最佳。
結(jié)語
器件的體積、高度及成本等因數(shù)通常是便攜式消費電子產(chǎn)品必須考慮的方面，選擇無源器件時，通常要求采用小體積、低成本產(chǎn)品。然而小體積、低成本的無源音頻耦合器件由于自身限制，影響了音頻電路低頻THD指標(biāo)，使其難以滿足微軟公司 Vista 音頻規(guī)范。而以較小代價，采用體積稍大，額定耐壓高的X7R介質(zhì)的陶瓷電容器引入的THD+N最小，是Vista 音頻電路設(shè)計人員值得考慮的最佳選擇之一。