在高端音頻設(shè)備中,，慎重地選擇電阻器是避免或?qū)⑿盘?hào)路徑中的噪聲和失真降至最低的最佳方法之一。本文描述了使用各種現(xiàn)有電阻器技術(shù)制造的電阻器中噪聲的生成情況,，并且對(duì)每種類型的典型噪聲插入進(jìn)行了量化,。
噪聲是一種可能疊加在任何有用信號(hào)（含直流）上的無(wú)用寬頻譜信號(hào)。像其他無(wú)源器件一樣,，電阻器會(huì)產(chǎn)生不同程度的噪聲,，噪聲大小取決于電阻值、溫度,、施加的電壓以及電阻器類型。
有很多實(shí)驗(yàn)闡明某些電阻器比其他電阻器“噪聲大”的原因,。然而,，音頻專家和發(fā)燒友均認(rèn)同的唯一檢測(cè)方法就是：比較在實(shí)際音頻系統(tǒng)中使用不同電阻器技術(shù)時(shí)形成的保真度。
電阻器中的噪聲
電阻器總噪聲由多個(gè)成分組成,。與各種音頻應(yīng)用密切相關(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(wú)關(guān),。事實(shí)上，如果電阻和溫度相同,，任何類型的電阻器的熱噪聲等級(jí)均相同,。熱噪聲的電壓功率譜密度(PSD)ST [V2/Hz]在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均勻分布。其可以用下列表達(dá)式表示[1, p.76]：
其中
R – 電阻器的電阻[W],，T – 電阻器溫度[K],，k = 1.3807´10-23 J/K – 玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)。
另一方面,，電流噪聲與電阻材料的類型具有直接關(guān)系,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電流噪聲的電壓譜密度SE與電阻器上的直流電壓降U的平方成正比,，與頻率f成反比[2, p.164]：
C是取決于電阻元件材料及其制造工藝的常數(shù),。
圖1顯示了電阻器中總噪聲電壓的譜密度S。
圖1.電阻器中總噪聲電壓的譜密度
電阻器中電流噪聲等級(jí)通常用單位μV/V或者分貝（按照噪聲指數(shù)[NI]dB）表示
其中,，u是十進(jìn)位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)量單位均是伏特,。
噪聲指數(shù)越低,，電阻器中的電流噪聲等級(jí)也越低。
下面圖表顯示了使用不同技術(shù)制造的電阻器的噪聲指數(shù),。
圖2.商用電阻器的平均噪聲指數(shù)
如圖表所示,，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。為什么呢,？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,。
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。根據(jù)電阻值的不同,，該層的厚度范圍一般為10到500埃,。薄膜中的噪聲是由夾雜、表面缺陷和不均勻的沉積（當(dāng)膜較薄時(shí),，更加顯著）造成的,。這就是電阻膜越厚，電阻值越低,，從而噪聲等級(jí)越低的原因所在,。
在具有大金屬電阻元件的電阻器中,，可以觀測(cè)到最低的噪聲等級(jí)：箔電阻和繞線電阻。雖然線是由與箔材料類似的金屬合金制成,，但是電阻元件細(xì)線和比較粗的電阻器接線端子接合點(diǎn)處可能產(chǎn)生額外的噪聲,。在箔電阻器中，接線端子和電阻元件均為同一塊箔的某些部分,，因此避免了這個(gè)問(wèn)題,。然而，繞線電阻器的主要缺陷是其電感,。電感可導(dǎo)致對(duì)信號(hào)峰值進(jìn)行斬波以及嚴(yán)重依賴信號(hào)頻率上的電阻器阻抗,。此外，必須對(duì)下列與繞線電阻器的電抗相關(guān)的影響格外關(guān)注：
- 音頻放大器可能在5 MHz至50 MHz以上自振蕩,，影響音頻質(zhì)量[3, p.22-6],。
- 等效串聯(lián)電感(ESL)會(huì)引起大相移，影響音頻音調(diào)[3, p.22-6],。
- 線圈可能起到拾取電磁干擾(EMI)的作用,，超過(guò)通常電流噪聲等級(jí)[2, p.167]。
箔電阻器避免了這些問(wèn)題,，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^(guò)化學(xué)蝕刻扁平的大金屬箔構(gòu)成的,，因此，在相鄰載流路徑中的電流流動(dòng)方向相反,，消除了這些路徑中的寄生電感,。而且，路徑到路徑的電容為串聯(lián),，具有將電阻器的寄生電容降至最小的效果,。這些低電感／電容電阻器的特點(diǎn)是不可測(cè)量的峰值到峰值的信號(hào)失真。
在高端音頻應(yīng)用中的箔電阻器
高端模擬音頻應(yīng)用要求固有噪聲低,、放大線性度高和動(dòng)態(tài)失真極小,。典型的音頻放大器由電壓前置放大器（預(yù)放大）和功率放大器（最終驅(qū)動(dòng)）組成。電壓前置放大器處理低電平信號(hào),。這就是固有噪聲等級(jí)至關(guān)重要的原因,。電阻器是放大器中主要噪聲源之一。
對(duì)音頻功率放大器的主要要求是放大線性度高,、動(dòng)態(tài)失真極小,。箔電阻器的特點(diǎn)是電阻元件（由大金屬制成）的固有非線性度非常低。繞線電阻器和一些金屬膜電阻器具有類似的非線性度特點(diǎn),，但是,，在現(xiàn)實(shí)世界中,電阻器的固有線性度不足以確保放大線性度。
音頻功率放大器通常基于與運(yùn)算放大器類似的電路設(shè)計(jì)（圖3）,。它的增益
取決于負(fù)反饋分壓器中的R2/R1電阻比率。電阻器R1和R2分別消耗功率
和
所以
通常k > 2,，故R2> R1,。這表明，在電阻器R2中的功耗和溫升總會(huì)超過(guò)在電阻器R1中的功耗和溫升,。即使兩個(gè)電阻器均具有相同的TCR（理想情況）,，該放大器的增益也將變化，這是因?yàn)镽2/R1比率將取決于輸出電壓VO,。因而,，聲音信號(hào)的典型尖峰和脈沖可能造成放大器增益的瞬態(tài)變化。其結(jié)果是輸入電壓VI和輸出電壓VO之間的非線性依賴（圖4）,。這個(gè)現(xiàn)象稱作溫度引起的放大器的非線性[4],。其原因是電阻器的自熱，其定量的特點(diǎn)是電阻功率系數(shù)(PCR)[5],。減小電阻功率系數(shù)(PCR)的方法是選擇具有最小絕對(duì)TCR值的R1和R2電阻器,。
圖3
圖4
例如：將一個(gè)0.3 W的負(fù)載同時(shí)施加到采用不同技術(shù)制造的三個(gè)1206尺寸的片式電阻器：
- TCR約為+ 42ppm/°C的厚膜片式電阻器
- TCR約為+ 4 ppm/°C的薄膜片式電阻器
- TCR約為-0.1 ppm/°C的,、基于Z箔技術(shù)的大金屬箔,。
結(jié)果如下面的圖表中所示。相關(guān)電阻變化的穩(wěn)定值如下所述：
- 厚膜片式電阻器：+2000 ppm,；
- 薄膜片式電阻器：-140 ppm,；
- 大金屬Z箔：+5 ppm。
圖5.在0.3-W功率負(fù)載條件下測(cè)量逾9秒鐘,，自熱電阻（電阻功率系數(shù)）對(duì)三種類型電阻器的影響[5]
在放大線性度高和動(dòng)態(tài)失真極小的要求下,，對(duì)于音頻放大器而言，大金屬箔電阻器是較好的選擇,。威世精密集團(tuán)特別推薦VAR,、Z201、S102C,、Z203,、VSHZ、VSMP系列(0603-2018),，VFCP系列和SMRXDZ系列電阻器,，實(shí)現(xiàn)音頻應(yīng)用中的無(wú)噪聲性能。
(www.foilresistors.com)
諸位作者對(duì)約瑟夫·施瓦茨就編寫本文給予的寶貴支持表示感謝,。
文獻(xiàn)
1.Resistor Theory and Technology/ By Felix Zandman, Paul-Rene Simon, Joseph Szwarc. SciTech Publishing, 2002, 308 p.
2.Vasilescu Gabriel, Electronic Noise and Interfering Signals: Principles and Applications.- Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005. 709 p.
3.Robust Electronic Design Reference Book. By Barnes, John R. Volume 1; 2004.
4.Analog Devices, Inc. Avoiding passive components pitfalls. Application note AN-348.
5.J. Szwarc. Current Sensing with a precision of a few parts per million within a fraction of a second. Proc. of IEEE COMCAS 2009.