丁丁硬件视点 2009-04-23 11:11:41 作者:SystemMaster 来源: 文字大小:[大][中][小] |
为这次测试，收集了如下电容样本，标称容量都是0.1uF的。 图中1号是个陶瓷介质电容；2-6号是各种类型的薄膜电容，其中6号是西门子的，其余是杂牌，有国内也有国外的；7号是陶瓷密封油浸薄膜电容，耐压最高，是1000V。 有人会问，这么小容量的电容几乎不用到音频耦合回路里面呢！呵呵，这个问题当然是和后级电路的输入阻抗有关联。当后级输入阻抗大于47k欧时，0.1uF电容耦合对低频损失是可以接受的。测试电路很简单，如下图。 当然，最容易影响的是频响。但是前面提到了，只要RC时间常数足够大，低频下降就可以忽略，所以这里不予以考察。这次重点放在THD即全谐波失真指标的测量与分析。 下面这个图标是R=2K时，7个电容对应的THD+噪声和信号频率的关系。 图中线是耦合电容短路（即信号直通）时的失真曲线，也是这个测量系统在这个条件下的测量极限。 实际上，看到这张曲线图是，我心里是吓了一跳的。特别是1#样本，在500Hz以下频率，失真居然会达到0.2%以上！这个量级对训练有素的耳朵来说是能够听出来的了。 眼尖的同学或者会看出来，由于电阻取的是2K，而电容只有区区0.1uF，所以这个电路是个一阶高通滤波器。当频率很低时输出会衰减很多，而我们测的是（THD+噪声）/（信号＋噪声），即这是信号变小了，比值自然会增大。也就是说，这个结果未必是真的谐波引起的。所以，我们有必要还是定量的看一下到底高通曲线是啥样子。如下图。 哈哈，500Hz对于平顶部分只下降了4dB。所以上面的担忧可以排除了。看来真的是有谐波失真发生哦，真郁闷！ 不到黄河心不死！我要看谐波成分是啥样子。对了，做快速傅立叶分析。 做了1号和7号两个样本分别在1kHz和400Hz输入时的谐波成分分析，如下图。 1kHz输入时 400Hz输入时方形磁铁 果然，全部都是如假包换的谐波！接受这个现实的同时，就得回答一个问题了：电容是非线性元件吗？怎么会有这么大的非线性失真呢？ 鉴于失真最厉害的是1号陶瓷电容，而陶瓷材料会有压电特性。是不是这些电容因为加上电压后有什么变化呢？于是给电容加上偏置电压，选了1号、4号和7号三个样本，测试结果如下图。 图表中可以看出，1号样品缺失电容量虽偏置电压变化而变化。偏压从0V变到15V时，容量居然从96.3nF变化到98.2nF，变化率达到1.97%！另外两个样品却没测出来类似的容量变化。 那么，1号样品的这个偏压-容量变化关系在这个耦合电路里会引起什么样的后果呢？ 一般的来说，有交流信号通过电容时，电容会有一个阻碍作用，既是容抗。容抗Ｘc=1/(ωC)=1/(2πfC)。如果信号的频率ｆ不变，当Ｃ变化时，Xｃ也是变化的。 我们再看前面的测试电路，实际是一个Ｘｃ与Ｒ的串联分压电路。Ｘｃ越大，输出越小。呵呵，问题原来在这里了！对于１#电容，当交流信号在过０点时，电容是一个容量。当信号不在０点时相当于对电容加了一个偏压；而在波峰或波谷时，偏压达到了最大。既是说，一个周期的信号通过电容时，电容的容量经历一个容量由小到大再由大到小的循环。输出信号Ｖｏ＝R/(Xc//R)；当Xc变化时，Ｖｏ自然也就发生变化了。这就是的整个电路表现出了非线性特性！输入一个标准正弦波时，输出的却是幅度不按正弦规律变化的畸变波形，这样子谐波失真自然就产生了。 同样的，这个结论也能解释为率高时失真小而频率低时失真大。当信号频率高时，Xc就小，基数小了，变数自然也就更加小，当Ｘｃ小到和Ｒ比可以忽略时，变数引起的畸变自然也无影无踪了。所以失真特性曲线上，不管那个电容对应的高频段，谐波失真都非常小，直到没有失真。 由于失真是由电容有偏压时引起容量变化而产生的，而偏压越大，电容变化也越大。那么当信号电压大时，输出信号的失真也会更大！实际的情况任何呢？看看下面的测试曲线，描述的是失真对输入信号强度的关系，信号频率是１ｋＨｚ。 图中最下面那条线是电容短路时的测试结果，当作参考。注意到当输入信号大于１００ｍＶ时，随着信号强度的增加，ＴＨＤ也越来越大。当输入信号达到１０Ｖｒｍｓ时，失真达到0.1５％左右。 记得前面我们也测了４号和７号电容的偏压-容量特性，在电桥的分辨力范围几乎没看到有容量的变化。但是在失真曲线上看到的谐波失真却是不能忽略的。那这又是怎么回事呢？ 为了到这个回答这个疑问的蛛丝马迹，于是对７个电容做了比较全面的参数测量，结果如下表。 看数据我们可以发现，测试频率不同，同一电容的容量也会不同。为了方便比较，表格的右边专门算出了１００Ｈｚ和１０ｋＨｚ测试频率时同一个电容器的电容量的比值。画成图表如下。 如果和失真曲线比照，会发现容量变化大的，失真也大。如图中１#最大，失真也最大；４＃第二，对应失真图上４００Ｈｚ－８ｋＨｚ这段范围内失真表现都很突出；５＃变化最小，失真也几乎是最贴近参考线。 同样的，我们也可以整理一下损耗（方位角正切）的数据，如下面图表。 １＃、４＃、５＃的变化规律，同样是和失真特性相应证的。即损耗越大，引起的信号失真也大！ 综上所述，电压效应（电压-容量变化关系）于对电压敏感的陶瓷电容是引起其产生谐波失真的主要因素。而对电压不敏感的薄膜类电容，介质损耗、等效串联电阻等因素同样能引起非线性失真，只是这时引起的失真数量级比较低，绝大多数场合是可以接受且人耳不能觉察的。 小结：该怎么决定音频电路中的耦合电容呢？ 很显然，能不用电容耦合就不要用了，现在有源器件的性能已非老早工业时代的产品所能比拟，设计出纯ＤＣ放大电路已经不是什么特别难的课题了。哦，你不得不要选用电容做耦合，其实结论上面已经有了。第一不是万不得已，别选用瓷介电容；第二，要挑选Ｑ值高、ＥＳＲ小、介电损耗小的电容，同时注意高频性能要尽量的好。 最后，上一个钽电解电容和铝电解电容（４．７ｕＦ，Ｒ取６００欧）的比较测试结果，当作是本文的结尾吧。 图中，绿线是钽电解，红线是铝电解，这样子的特性，明白了该选哪个做耦合电容了吧？ |
常见易购的音频耦合使用的电容介绍 | ||||||||||||||||||||||
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经常有些初学的朋友们问，在哪用什么电容，这种电容怎么样这类的问题，回答得多了也就麻木了，烦了，索性整个贴子供初学者学习，所介绍的都是价格比较便宜的，适合初学者选用的电容。 | ||||||||||||||||||||||
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