关于供电和滤波对音质的影响

yx88 · 发表于 2010-3-23 17:16:24

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一：电源变压器：在不考虑电容对滤波的影响的情况下，变压器的额定功率和次级内阻对音质的影响是非常重要的。

1：如果变压器的功率不够，由于音乐中的低频能量比高频要大的多，在重放一些低频的时候，容易出现过载失真。

和开关电源不一样，磁芯变压器随着负载功率的增大，其电压也会随之下降，在达到额定功率的70%左右，如果此时音乐信号中有瞬音的大动态低音或连续的低频，都会出现严重的失真，表现为：声音无弹性、发混、有说不清的多余信号、发抖等等。。。

  而变压器的品质也重要，其次级绕组一般为无氧铜漆包线，线径和功率是成正比的。。

  当然，也有一些次品和垃圾，其次级绕组用的漆包线是劣质货，这种变压器虽然个头大份量重，但输出功率并不大，且发热量大，很容易在大音量下烧毁！！

  而胆机因为是工作在高电压小电流的状态下，相对于石机来说，对变压器的内阻要求就松得多了。。。。

二：滤波电容：

1：容量按道理论上说是越大越好，对正弦直流脉冲电，其纹波是容量是成反比的，然而大容量的电容其价格和体积都比较庞大，又因其工作电流大，所以基本上排除了那些无极电容，余下的能胜任的只有电解电容了。

  但是普通的铝电解电容，容量越大的内阻越大，内部电感越大，对高频的响应是随容量成反比的。。并且，如果大容量的电解如果品质不好（如ESR值太大），在大音量的工作环境下，是很容易发热的。而电容的寿命和工作温度是成反比的，发热严重的电容很容易在“年青”的时候就已经死亡了。。

看一个大容量电容的品质的最简单的方法：

  （1）：用手掂掂，很重的一般都不会太差（相对于同容量同电压的）
  （2）：用手弹弹电容的壳，发出“拼拼”脆响的是垃圾，发现“帮帮”硬声的一般不错
  （3）：看它的引脚粗不粗，很粗的不般不错，再用指甲剪剪一小段引脚下来，看看断口是不是铜的，是铜的一般不错，如果是白色的铁那么这种电容就是垃圾！！！

2：电容的并联问题：一般有些人喜欢用一只大容量的电容如：10000UF分别并上100UF和1UF甚至0.1UF，以改善音质。。但不同容量不同品牌的电解的容抗，感抗和esr都不一样，这样并上这些电感是会改善高频，但严格来说，会使声音变乱！各个频段的相位会出问题。。

其实20KHZ并不是一个很高的频率，对于需求10000UF的电路来说，用五个一模一样的2200UF的电解并联是不错的选择，但是这里要注意，整流后输出要加扼流线圈限制自激。。由于并联后ESR很小，同时功放内部电路如果有自激振荡物话，那么电源电路并不限制它，所以出了自激不要全部怪罪于电源电路，自已用示波器好好查一下吧！

3：如果电容容量不够，会造成大音量时电源变压器过载，发热，从而声音产生失真，串入交流信号声等

如果电容ESR不够，会造成高频响应差，声音发毛，高音发破，暗淡，解析力不够等！

如果不同的电容并联，可能会造成整个音乐相位混乱，高中频混浊。。。

如果电容容量过大，可能会造成开机瞬间整流二极管过载，长期如此可能会烧毁整流二极管

三：整流二极管D

（1）：二极管D的内阻和输出功率有关，且内部噪声和工作温度成正比
（2）：二极管D导通瞬间会有尖峰脉冲，二极管D二端并上一只0.1uf或0.01UF的电容以改善
（3）：全波整流比半波整流后的直流电纹波系数更小，所以非必要时，尽量用全波整流。
（4）：变压器输入端可以加防EMI电路，以改善在市电环境不好时的干扰。。

四：全滤波电路单独全封闭

1：整个滤波电路单独用铁金属壳封闭的效果是肯定的，一可以防止变压器露磁干扰其它电路，二可以避免整个电路对其它小信号电路的干扰。

2：整个电源滤波电路尽量放到与前级弱信号电路比较远的位置（当然在同一个机箱内的情况下）

3：电源电路如果有输出线，那么输出线材的质量几乎和音箱线的质量一样重要，这点要搞清楚，因为对于音箱和功放来说，在电源眼里，它们是“一条线上的蚂昨”

yx88 · 发表于 2010-3-23 17:17:27

如何选择和计算滤波电容?
问：在电路设计过程中,要用电容来进行滤波.有时要用电解电容,有时要陶瓷电容.有时两种均要用到.我想问一下:用电解电容的作用是什么?用普通陶瓷电容的作用是什么?如何计算其容量的???对于电解电容的耐压又该如何选择确定?
哪些情况用电解电容,哪些情况下用陶瓷电容,哪些情况下两种均要用?
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答：滤波电容范围太广了，这里简单说说电源旁路（去藕）电容。滤波电容的选择要看你是用在局部电源还是全局电源。对局部电源来说就是要起到瞬态供电的作用。为什么要加电容来供电呢？是因为器件对电流的需求随着驱动的需求快速变化（比如DDR controller）,而在高频的范围内讨论，电路的分布参数都要进行考虑。由于分布电感的存在，阻碍了电流的剧烈变化，使得在芯片电源脚上电压降低－－也就是形成了噪声。而且，现在的反馈式电源都有一个反应时间－－也就是要等到电压波动发生了一段时间（通常是ms或者us级）才会做出调整，对于ns 级的电流需求变化来说，这种延迟，也形成了实际的噪声。所以，电容的作用就是要提供一个低感抗（阻抗）的路线，满足电流需求的快速变化。
基于以上的理论，计算电容量就要按照电容能提供电流变化的能量去计算。选择电容的种类，就需要按照它的寄生电感去考虑－－也就是寄生电感要小于电源路径的分布电感。
具体的说明在很多书上都有。提供一个参考书:high speed digital design ch8.2.
讨论问题必须从本质上出发。首先，可能都知道电容对直流是起隔离作用的，而电感器的作用则相反。所有的都是基于基本原理的。那这时，电容就有了最常见的两个作用。一是用于极间隔离直流，有人也叫作耦合电容，因为它隔离了直流，但要通过交流信号。直流的通路局限在几级间，这样可以简化工作点很复杂的计算，二是滤波。基本上就是这两种。作为耦合，对电容的数值要求不严，只要其阻抗不要太大，从而对信号衰减过大即可。但对于后者，就要求从滤波器的角度出发来考虑，比如输入端的电源滤波，既要求滤除低频（如有工频引起的）噪声，又要滤除高频噪声，故就需要同时使用大电容和小电容。有人会说，有了大电容，还要小的干什么？这是因为大的电容，由于极板和引脚端大，导致电感也大，故对高频不起作用。而小电容则刚好相反。巨细据此可以确定电容量。而对于耐压，任何时候都必须满足，否则，就会爆炸，即使对于非电解电容，有时不爆炸，其性能也有所下降。讲起来，太多了，先谈这么多。
都是滤波的作用，铝电解电容容量比较大，主要用于虑除低频干扰。容量大约为1mA电流对应2～3μf，如过要求高的时候可以1mA对应5～6μf。无极性电容用于虑除高频信号。单独使用的时候大部分是去藕用的。有时可以与电解电容并联使用。陶瓷电容的高频特性比较好，但是在某个频率（大约是6MHz记不太清了）是容量下降的很快。
电容的寄生电感主要包括内部结构决定的电感和引线电感。电解电容的寄生电感主要由内部结构决定。印象中铝电解电容在20～30k以上就表现除明显的电感特性。钽电容在1MHz左右。陶瓷电容的高频特性就好很多。但是陶瓷电容有压电效应，不适于音频放大电路的输入和输出。
这是因为大的电容，由于极板和引脚端大，导致电感也大，故对高频不起作用。而小电容则刚好相反。巨细据此可以确定电容量。而对于耐压，任何时候都必须满足，否则，就会爆炸，即使对于非电解电容，有时不爆炸，其性能也有所下降。
滤波：器件供电时候并一个大容量电容和一个小容量电容，大的滤除低频噪声，小的滤除高频噪声去耦：串联在电路隔离直流信号，通过交流信号
其实电容除了，容量以外还有其他的参数，比如电容的耐压，绝缘阻抗。还有一个重要的参数就是介质损耗角的正切值，这个值的大小与使用电容的频率有关，普通电容的高频损耗值远远小于电解电容，所以一般来说，高频电路中不选用电解电容作为滤波器的。还有一个问题就是一般来说电解电容的容量比较大，薄膜电容的容量比较小，一般微法级以上的电容都是电解电容，薄膜电容即使能做到微法级的以上的话，封装体积就很大了。
出常见的电容器主要包括铝薄膜电解电容器，钽电解电容器、陶瓷电容器、纸介电容器；其中电解电容器主要用于整流滤波回路，频率不能太高；钽电容器用于集成电路电源滤波，滤除纹波效果明显，纸介电容器价格便宜，容量1PF到千PF都有；陶瓷电容器用得比较多，价格低，容量范围大；
电容器的选择需要从容量、用途、耐压、工作频率几个方面综合考虑。
我们是做小信号处理的，当然滤波很重要，滤波分为电源滤波和信号的噪声滤波。在电源滤波当然电容大一点好再加上小电容滤一下更好，电解电容和钽电解电容器容值就做得比较大一些。而小信号滤波还要考虑信号得频率，选择低ESR的陶瓷电容器比较好。具体的可以联系我大家共同分析。最重要的是要熟悉各种电容器的频率特性，然后根据你要滤波的频率范围选择不同的电容，有时需要多个不同种类的电容并联。这种用于滤波的电容不需要做精确运算。
通常我们说的通交流隔直流，可以通过这个公式来分析：电路中电容的容抗Xc=1/2πf C ，其中f为信号的频率，C为电容量的大小。那么也就是说，当C不变时，频率越高，容抗Xc越小，那么电流越大，信号越容易通过。那么为什么直流会被隔离呢？直流电平，相当于f=0,这时候容抗Xc=无穷大，相当于开路，信号自然无法传送过去了。当f不变时，C越大，容抗Xc越小，那么电流越大，信号越容易通过。这也就是为什么我们平时在选用电源滤波电容时，用uF级的电容来滤除几十Hz的纹波，而用nF级的电容，来滤除几十kHz的纹波。（uF*10Hz=nF*10kHz）
简单的说,容量越大滤波效果越好,但是我们也知道,容量越大的电解电容,在频率较高时就会呈感性(工艺原因)所以要并一个高频陶瓷滤波电容,至于有人问容量和赖压是否可以选其一,我认为容量小一点或许可以用,但耐压小了你小心爆炸!!!!!!!

yx88 · 发表于 2010-3-24 08:29:52

电源滤波电容的选择
　　电容的阻抗与频率成反比，所以电容可以阻挡低频通过。电感正相反——所以二者适当组合，就可过滤各种频率信号。如在整流电路中，将电容并在负载上或将电感串联在负载上，可滤去交流纹波。
　　
　　由于电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）。
　　
　　低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。
　　
　　电源滤波电容的大小，平时做设计，前级用4.7u，用于滤低频，二级用0.1u，用于滤高频，4.7uF的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，0.1uF的电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。一般前面那个越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。电源滤波，开关电源，要看你的ESR（电容的等效串联电阻）有多大，而高频电容的选择最好在其自谐振频率上。大电容是防止浪涌，机理就好比大水库防洪能力更强一样；小电容滤高频干扰，任何器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的串并联电路，也就有了自谐振，只有在这个自谐振频率上，等效电阻最小，所以滤波最好。
　　
　　电容的等效模型为一电感L，一电阻R和电容C的串联（下图），电感L为电容引线所至，电阻R代表电容的有功功率损耗。因而可等效为串联LC回路求其谐振频率，串联谐振的条件为WL＝1／WC，W＝2＊PI＊f，从而得到此式子f ＝ 1／（2pi＊ LC），串联LC回路中心频率处电抗最小表现为纯电阻，所以中心频率处起到滤波效果。引线电感的大小因其粗细长短而不同，接地电容的电感一般是1MM为 10nH左右，取决于需要接地的频率。

滤波电容的选择
滤波电容的选择滤波电容的选择经过整流桥以后的是脉动直流，波动范围很大。后面一般用大小两个电容大电容用来稳定输出，众所周知电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑小电容是用来滤除高频干扰的，使输出电压纯净电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高容量选择：
（1）大电容,负载越重，吸收电流的能力越强，这个大电容的容量就要越大
（2）小电容，凭经验，一般104即可
2.别人的经验（来自互联网）
1、电容对地滤波，需要一个较小的电容并联对地，对高频信号提供了一个对地通路。
2、电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。
3、理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。
4、可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段.
具体案例: AC220-9V再经过全桥整流后，需加的滤波电容是多大的？再经78LM05后需加的电容又是多大？
前者电容耐压应大于15V，电容容量应大于2000微发以上。后者电容耐压应大于9V，容量应大于220微发以上。
2.有一电容滤波的单相桥式整流电路，输出电压为24V，电流为500mA，要求：
（1）选择整流二极管；
（2）选择滤波电容；
（3）另：电容滤波是降压还是增压？
（1）因为桥式是全波，所以每个二极管电流只要达到负载电流的一半就行了，所以二极管最大电流要大于250mA；电容滤波式桥式整流的输出电压等于输入交流电压有效值的1.2倍，所以你的电路输入的交流电压有效值应是20V，而二极管承受的最大反压是这个电压的根号2倍，所以，二极管耐压应大于28.2V。
（2）选取滤波电容：1、电压大于28.2V；2、求C的大小：公式RC≥（3--5）×0.1秒，本题中R=24V/0.5A=48欧
所以可得出C≥（0.00625--0.0104）F，即C的值应大于6250μF。
（3）电容滤波是升高电压。
滤波电容的选用原则在电源设计中,滤波电容的选取原则是:C≥2.5T/R，其中: C为滤波电容,单位为UF;T为频率, 单位为Hz，R为负载电阻,单位为Ω，当然,这只是一般的选用原则,在实际的应用中,如条件(空间和成本)允许,都选取C≥5T/R.
3.滤波电容的大小的选取
PCB制版电容选择
印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF
一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还可以起到稳压的作用，滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐波频率，可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件，根据具体的需要选择。至于个数就不一定了，看你的具体需要了，多加一两个也挺好的，暂时没用的可以先不贴，根据实际的调试情况再选择容值。如果你PCB上主要工作频率比较低的话，加两个电容就可以了，一个虑除纹波，一个虑除高频信号。如果会出现比较大的瞬时电流，建议再加一个比较大的钽电容。
其实滤波应该也包含两个方面，也就是各位所说的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理我就不说了，实用点的，一般数字电路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到10个uF，去除高频噪声好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比较的小了，一般根据谐振频率一般为0.1或0.01uF

说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小.。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中，往往电容的作用是多方面的，我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里，我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.

yx88 · 发表于 2010-3-24 11:05:16

电容的本质是通交流，隔直流，理论上说电源滤波用电容越大越好。

但由于引线和PCB布线原因，实际上电容是电感和电容的并联电路，
（还有电容本身的电阻，有时也不可忽略）
这就引入了谐振频率的概念：ω=1/(LC)1/2
在谐振频率以下电容呈容性，谐振频率以上电容呈感性。
因而一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。
这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。
至于到底用多大的电容，这是一个参考
         电容谐振频率
电容值    DIP (MHz)    STM (MHz)
1.0μF             2.5                   5
0.1μF                8                   16
0.01μF             25                   50
1000pF          80                   160
100 pF             250                500
10 pF             800             1.6(GHz)
不过仅仅是参考而已，用老工程师的话说——主要靠经验。
更可靠的做法是将一大一小两个电容并联，
一般要求相差两个数量级以上，以获得更大的滤波频段。
一般来讲，大电容滤除低频波，小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比。
具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )
电源滤波电容如何选取，掌握其精髓与方法，其实也不难。
1）理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数,这表示频率大于FSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR后,对干扰的抑制就大打折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?
原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了.
2)那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,我怎么知道电容的SFR是多少?就算我知道SFR值,我如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?
电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的0402,0603,或直插式电容的SFR值也不会相同,当然获取SFR值的途径有两个,1)器件Data sheet,如22pf0402电容的SFR值在2G左右, 2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率,想想如何量测?S21?
知道了电容的SFR值后,用软件仿真,如RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作频带是否有足够的噪声抑制比.仿真完后,那就是实际电路试验,如调试手机接收灵敏度时,LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB.
一般来说, 选择输出滤波电容主要是为了获得好的滤波效果，输出电压的纹波与芯片的工作方式(升压或降压)以及工作原理有关，单相和多相的计算方法是不同的。举例来说，假如使用LTC3406B芯片，△Vout≈△IL（ESR＋1／8fCout）, 其中，△Vout是输出电压的纹波，△IL是电感的纹波电流，ESR是输出滤波电容的内阻，f 是DC/DC的开关频率， Cout是输出滤波电容的容值。通过该公式，可以方便地计算出需要的电容参数。
滤波电容范围太广了，这里简单说说电源旁路（去藕）电容。
滤波电容的选择要看你是用在局部电源还是全局电源。对局部电源来说就是要起到瞬态供电的作用。为什么要加电容来供电呢？是因为器件对电流的需求随着驱动的需求快速变化（比如DDR controller）,而在高频的范围内讨论，电路的分布参数都要进行考虑。由于分布电感的存在，阻碍了电流的剧烈变化，使得在芯片电源脚上电压降低－－也就是形成了噪声。而且，现在的反馈式电源都有一个反应时间－－也就是要等到电压波动发生了一段时间（通常是ms或者us级）才会做出调整，对于ns级的电流需求变化来说，这种延迟，也形成了实际的噪声。所以，电容的作用就是要提供一个低感抗（阻抗）的路线，满足电流需求的快速变化。
基于以上的理论，计算电容量就要按照电容能提供电流变化的能量去计算。选择电容的种类，就需要按照它的寄生电感去考虑－－也就是寄生电感要小于电源路径的分布电感。

飞越沧海 · 发表于 2010-3-24 11:17:47

:victory:

雪中梅绽 · 发表于 2010-3-24 17:16:58

谢谢楼主发布，好文章，收藏了啊

zgyxwz · 发表于 2010-3-24 18:40:17

很好。学习。:handshake

宣哥 · 发表于 2010-3-30 00:07:04

支持.....

王思敏 · 发表于 2010-3-31 10:25:38

:victory::victory:

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