摘要：阻容元件是在音響設(shè)備中使用量最大的無(wú)源器件，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的音響制造商,，在設(shè)計(jì)音源(CD或DVD),、功率放大器的過(guò)程中，非常重視集成塊(IC),、晶體三極管,、場(chǎng)效應(yīng)管及電子管等有源器件的選用，在電路設(shè)計(jì),、產(chǎn)品工藝等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,。但在高附加值的HI-END級(jí)音響產(chǎn)品領(lǐng)域，與歐美國(guó)家存在較大的差距,。原因之一是對(duì)電阻,、電容等無(wú)源器件的選用重視不夠。為了提高音響設(shè)備的重放效果,，通過(guò)對(duì)阻容元件的分析,、研究，采用同一套音響設(shè)備,、不同的阻容元件進(jìn)行比較測(cè)試,，發(fā)現(xiàn)阻容元件對(duì)音響設(shè)備的影響不容小視，合理選擇阻容元件可提高音響設(shè)備的性能指標(biāo)和重放效果,。

音響設(shè)備主要由音源(CD或DVD),、前級(jí)均衡放大器(功放前級(jí))和后級(jí)功率放大器(功放后級(jí))組成,，以上設(shè)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(yùn)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(chǎng)效應(yīng)管或電子管和阻容元件組成。一直以來(lái),，我們?cè)谠O(shè)計(jì)音響設(shè)備的時(shí)候,，非常重視集成塊(IC)、晶體三極管,、場(chǎng)效應(yīng)管或電子管有源器件的選用,，而對(duì)電阻、電容等無(wú)源器件的選用就比較隨便,。不少人認(rèn)為阻容元件對(duì)聲音影響不大,，的確，在要求不高的場(chǎng)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(shè)備中，必須慎重地選擇電阻,、電容等元器件,，否則，就難以達(dá)到HI-FI或HI-END的水準(zhǔn),。

1 關(guān)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(shè)備中，電阻器的選用將直接影響設(shè)備的性能指標(biāo),，如信噪比,、保真度等。進(jìn)入工作狀態(tài)的電阻器會(huì)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(gè)成分組成。與各種音頻電路密切相關(guān)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(yùn)動(dòng)，在一個(gè)足夠小的體積內(nèi),，電子濃度的瞬時(shí)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(gè)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(wú)關(guān),，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(guò)改變電阻器的質(zhì)量來(lái)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(guān)系。電阻器的非線性反映電阻體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不致密和不連續(xù)(非均質(zhì))的程度,，因此在一定程度上反映了電阻器質(zhì)量的好壞,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)電阻器都存在一定的非線性,。對(duì)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(hào)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(dāng)U、R,、△f確定之后,，電流噪聲SE與頻率f的關(guān)系可用圖2來(lái)表示,。

電阻器中電流噪聲等級(jí)通常用噪聲指數(shù)[NI]dB來(lái)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(cè)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(fù)合電阻材料(如碳和厚膜)的電阻器的電流噪聲等級(jí)最高,。這是由于這些電阻元件材料的顯著非均質(zhì)性造成的,。這些復(fù)合材料中的導(dǎo)電路徑是由隔離矩陣中相互接觸的導(dǎo)電粒子形成的。當(dāng)電流流經(jīng)這些“接觸位置”中的不穩(wěn)定接觸點(diǎn)時(shí),，它們便產(chǎn)生噪聲,。而薄膜電阻具有相當(dāng)強(qiáng)的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此噪聲較低,。薄膜是通過(guò)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(jí)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(zhì)性較好,，因此噪聲低,；其噪聲主要來(lái)自電阻體與電阻引腳接合點(diǎn)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(guān)注,。

2 關(guān)于電容器

在音頻信號(hào)產(chǎn)生的交變電場(chǎng)作用下,，電容器表現(xiàn)出復(fù)雜的阻抗性質(zhì)，一個(gè)電容器可以用一個(gè)RLC串聯(lián)電路來(lái)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)?？捎孟铝凶杩故奖硎荆?/p>

式中：ω=2π

當(dāng)音頻信號(hào)頻率上升時(shí),，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(cè)曲線,；當(dāng)頻率下降時(shí),，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(jiàn)圖5左側(cè)曲線；當(dāng)f=f0時(shí),，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(huì)給電容器帶來(lái)?yè)p耗,。

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

若以陶瓷電容C組成一個(gè)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(lái)時(shí),，電容器的偏壓最大,，而在0軸時(shí)偏壓最小。一個(gè)周期的信號(hào)通過(guò)電容器時(shí),，電容器的容量經(jīng)歷一個(gè)由小到大,，再由大到小的變化過(guò)程。RC耦合電路的輸出電壓表達(dá)式為：

若輸入的是標(biāo)準(zhǔn)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(hào)頻率越高,，容抗就越小，當(dāng)XC<

3 阻容元件對(duì)音響設(shè)備的影響

在常溫下,，設(shè)音源中音頻放大電路有一阻值為10 kΩ的電阻，則當(dāng)音響設(shè)備音源,、功放的帶寬為20 kHz時(shí),，電阻的熱噪聲電熱約為1．5 μV，電流噪聲約為0．5μV,，合計(jì)約為2μV,；此時(shí)，假設(shè)音源CD唱機(jī)音頻放大電路的電壓增益為20 dB,，功放前級(jí)的電壓增益為20 dB,，功放后級(jí)的電壓增益為20 dB，音響設(shè)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(hào)的諧波失真為0．05％,，功放前后級(jí)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(hào)的諧波失真為100x0．05％=5％,。若采用陶瓷電容,，則諧波失真會(huì)更大。另外,，電容器的等效串聯(lián)電阻,、電感還會(huì)影響電容器充放電的速度，引起音頻信號(hào)的瞬態(tài)失真,。

對(duì)于普通的音響設(shè)備來(lái)說(shuō),，輸出的噪聲電壓為2 mV，諧波失真為5％,。一般人不易察覺(jué),，對(duì)于普通用戶,，在要求不高的場(chǎng)合是可以接受的。但對(duì)于HI-FI或HI-END音響設(shè)備來(lái)說(shuō),，是不能容忍的,。因?yàn)镠I-FI或HI-END音響設(shè)備要求背景非常寧?kù)o，各項(xiàng)性能指標(biāo)要求也較高,，即使2 mV的噪聲電壓,，也會(huì)影響背景的寧?kù)o度，5％的諧波失真就更不用說(shuō)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(shè)備的高保真度,，根據(jù)以上分析，音源,、前后級(jí)功放應(yīng)考慮選擇金屬膜電阻或薄膜電阻,，大電流部分可采用無(wú)感陶瓷電阻；阻值誤差要小,，電阻的標(biāo)稱功率應(yīng)大于實(shí)際消耗功率,，一般不小于實(shí)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(shè)備的信噪比。目前,，歐美等國(guó)家生產(chǎn)的電阻,、電容性能比國(guó)產(chǎn)的好，如美國(guó)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(zhì)佳、噪聲??；西電(黑排骨)精密電阻，如用作單端功放管300B,，F(xiàn)U50膽機(jī)陰極電阻,，性能穩(wěn)定，音色極佳,。又如法國(guó)金屬膜電阻,，精度高，誤差小于1％，用于音響配對(duì)電阻一致性好,，平衡度高,，音質(zhì)晶瑩細(xì)膩，噪聲小,。

4．2 電容元件的選擇

對(duì)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(chǎng)合,，應(yīng)選擇等效串聯(lián)電阻ESR、電感ESL小,，介質(zhì)損耗小、漏電電流小,，高頻性能好(f0較高)的電容,。電容器標(biāo)稱參數(shù)，1)電容量,，就是電容器外殼上所標(biāo)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(biāo)稱值),，實(shí)際工作電壓為額定標(biāo)稱值的2／3左右是比較合理可靠的，一般來(lái)說(shuō)標(biāo)稱電壓越高,，漏電流越?。?)溫度,，常見(jiàn)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(biāo)稱的電容器,。一般情況下,，選用溫度系數(shù)高的電容對(duì)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(guó)SPRAGUE電容,、思碧維他命Q油浸電容，德國(guó)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(diǎn)。

在音響電路中，用得最多的是有機(jī),、無(wú)機(jī)介質(zhì)電容和電解電容,。電路選定后，電容器還是影響放大器音質(zhì),、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(zhì),、音色就有不同的變化。這是因?yàn)椴煌碾娙?，雖然其容量和耐壓都一樣,，但其制作工藝及材質(zhì)不同，固有的介質(zhì)損耗,、絕緣電阻,、介質(zhì)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(hào)傳輸帶來(lái)的不良影響,，最好把音頻放大電路的級(jí)間耦合設(shè)計(jì)成直流耦合(DC)電路,；對(duì)于無(wú)法采用直流耦合的電子管音頻放大器，級(jí)間耦合應(yīng)采用品質(zhì)好的電容器,，如法國(guó)的SOLEN,、德國(guó)的VIMA等品牌的電容器。該電容品質(zhì)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(jí)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(lái)的高頻干擾,。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，阻容元件對(duì)HI-END級(jí)(高級(jí))音頻放大器的音質(zhì)和音色是有影響的,。有經(jīng)驗(yàn)的音響愛(ài)好者,，對(duì)于音質(zhì)、音色表現(xiàn)一般的CD唱機(jī)或音頻放大器,，通過(guò)更換一些優(yōu)質(zhì)的音頻專用阻容元件,，能收到一定的效果。目前,，歐美國(guó)家的音響制造商,，逐步采用貼片阻容元件,，來(lái)減少阻容元件帶來(lái)的不良影響，效果比較明顯,。