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在高端音频应用中电阻的研究4 p0 o3 D3 _0 J6 e3 H' n
. b& w. [) i8 [$ z0 S+ Y" i对于高端音频设备，认真选择电阻是避免或减少信号通道噪声或失真的一种最有效的方法。本文介绍采用现有各种电阻技术生产的电阻产生的噪声，以及每种电阻引入的典型噪声量。
! E# W% H+ q+ r! v; i' y4 _ x& t' c
噪声是叠加在有用信号上的一种不应有的宽频谱信号，包括DC。与其他无源器件一样，电阻是一种噪声源，其严重程度取决于电阻值、温度、施加的电压和电阻类型。业界为了证明为什么有些电阻比其他电阻“噪声大”做了大量实验，但音频专家和发烧友唯一达成共识的实验，则是在实际音频系统使用不同电阻技术的情况下对比保真度的结果。
$ D+ @7 e8 F! H( j- R2 O+ w- b% |$ t8 o! d/ G
1 `0 G1 G+ o6 M0 [. w6 `% N- e电阻噪声
6 }; q4 N$ F) z3 M2 C" `$ W0 d% ~5 m5 _; C @4 s
电阻整体噪声由多种分量组成。与音频应用最相关的是热噪声和电流噪声。$ \5 M9 ]* Y, p$ V' O1 i
1 }0 N3 A( h4 H' n% Q9 e0 ~) f
热噪声的显著特点是与电阻材料无关。事实上，在电阻和温度相同的情况下，任何类型电阻的热噪声是一样的。
$ l/ G" v4 b. b! V7 u* P
; c9 j6 `% _" h! ^2 O: R! Y+ H热噪声电压功率谱密度ST [V2/Hz] 在整个温度范围内均匀分布，可采用以下公式表示 [1, p.76]：
8 [9 y6 z( A# N" i' b
. b' @) B/ W6 ~$ p6 h) |: j' iST = 4kTR
8 B4 q/ {2 D4 ?. }) r0 i' l$ g- [* g9 M& P/ u: C) H
式中
. s2 o/ |' ~: e/ n# W5 I- x) c% g+ L$ I# H. p" G
R - 电阻阻抗 [Ω]，
- i E4 H( y: [3 ?
3 Y/ ]% Z1 j( I' n7 t6 A5 zT - 电阻温度 [K]，
" r# L. X2 K' r( y
, |, R$ s0 @, d' q6 ck = 1.3807×10-23 J/K - 玻尔兹曼常数。
N- ?( E. j2 Y- Q' C) ~% `2 A1 f0 ~$ P( O* `
另一方面，电流噪声与电阻材料的类型直接相关。实验证明，电流噪声的电压功率谱密度与电阻DC压降U的平方成正比，与频率f成反比 [2, p.164]：) ]* h& N2 }, h
! \5 Q5 N1 D( I8 I7 b/ k0 X
SE = (C ? U2) / f( d# u9 ^, w' p9 ]7 m# _
' b. K9 ~+ x7 G& a; zC是常数，依电阻元件的材料及其生产工艺而定。电阻总噪声电压功率谱密度S如图1所示。) n/ i& {/ Z$ {, a% K& E k+ x9 l
& o: t/ |' Z, o& v2 q
图1： 电阻总噪声电压功率谱密度。(电流噪声为主 热噪声为主)/ W% w+ I5 f: P a ^
! A( O7 [ g, l p& X3 ~
电阻电流噪声大小通常以μV/V或分贝为单位表示 (称为噪声指数 [NI]dB)
! X- J2 m4 a1 [3 N+ [) D$ g
' H- Q# J. L& ?0 X: r E3 D$ h[NI]dB = 20log[(u / U) ? 106]
1 P$ w/ e6 y8 d3 Y9 v0 i Z6 R3 W: ]# P* x2 c
式中，u代表十倍频带宽均方根噪声电压，U代表电阻DC压降。u和U以伏为单位测量。噪声指数越低，电阻的电流噪声越小。
1 ]7 F- ?% b4 K7 i. j0 P
8 m0 K" d7 c- T* X- A, T下图所示为采用不同技术生产的电阻的噪声指数 [2, p.168]。) P, m. w) Y( t; ~0 f- S
$ B- e4 R7 P9 t" c E% c7 L
8 h) m) e; b, r! I0 h+ ~( p
: A P9 B% |1 N4 g9 m. H图2. 商品化电阻平均噪声指数。3 H: x5 Z9 j4 o* S
6 _* \- K. Y9 l（图文：[NI] dB、分立电阻、碳质电阻、碳膜电阻、 金属膜电阻、线绕电阻、集成电阻、薄膜电阻、厚膜电阻）7 V z/ Z+ a& }: r* ?5 @
! f4 m3 W3 F- b' a% A, f; O从图中可以看出，基于碳阻材料的电阻，如碳质电阻和厚膜电阻，电流噪声最高。为什么? 因为这类电阻元件材料的不均匀性非常高。复合材料中的传导通道是由孤立矩阵中相互连接的导电粒子构成的。当电流通过时，这些“相接点”接触不稳会产生噪声。* E3 L7 I, I" Z+ r9 M& ]. ~
% q7 K' w3 c7 c- d6 B9 [' W: E. ~& o
薄膜电阻结构相当均匀，因此噪声小。薄膜电阻采用蒸发或溅射技术，将电阻材料 (如氧化钽TaN，硅铬SiCr和镍铬NiCr) 附着在陶瓷基片上。涂层的厚度一般为10到500埃，取决于阻值。1 \: |; v# [+ K. l
4 o. ^4 V( w8 g1 c5 ~- z* {
薄膜电阻噪声是由于阻塞、表面不平整、沉淀层不均匀造成的，镀膜越薄，这种情况越严重。这是为什么电阻膜越厚，阻值越小，噪声越低的原因。在对电阻的观察中可以看到，大金属箔电阻元件噪声最低：金属箔电阻和线绕电阻。线绕电阻的电阻丝采用类似金属箔的金属合金，但电阻元件细丝接头处和比较粗糙的电阻端子会增加噪声。金属箔电阻的端子和电阻元件是一体的，因此避免了这一问题。$ v8 P5 }; v0 @
, g8 C8 ^$ M8 k1 z不过，感应是线绕电阻存在的主要缺陷，会造成浪涌信号峰值，其严重程度取决于电阻相对于信号频率的阻抗。此外，还必须特别注意线绕电阻阻抗产生的以下影响：
* z. i% z2 C: I& O, Z4 e7 A
6 D% U& C/ x# O+ @' D' f7 Y J●音频放大器可能会产生5 MHz至50 MHz自激振荡，影响音频质量 [3, p.22-6]。
/ Z. q4 g' {0 Z5 B2 @
4 ~5 Q _8 b, I2 l4 x+ o●等效电感(ESL)会产生很大相移，影响音频音质[3, p.22-6]。+ x- e* y1 I0 j1 v$ H
3 x6 }5 e$ \) v% j; g G
●线圈会拾取电磁干扰(EMI)信号，增加实际电流噪声 [2, p.167]。
) A. R3 T& _, h1 g% }0 w& |3 `. b5 j5 O
金属膜电阻采用化学蚀刻平面金属箔片的方法加工，相邻电流传输通道的电流沿相对方向流动，消除了这些通道中的寄生感应，因此可以避免上述问题。同时，通道间电容可以串联，从而有效降低电阻的寄生电容。这些低电感/电容电阻未测出峰-峰信号失真。0 c! M: ^6 h" [. A# A, T0 d# \* P3 ?3 [
; u1 z) s: |* d |: {
高端音频应用中的金属膜电阻
" p' @6 G- S+ g' l k
5 t+ r* t/ v5 x/ Q高端模拟音频应用要求固有噪声低、放大线性高、动态失真小。典型音频放大器包括电压前置放大器（前置放大）和功率放大器（末级驱动）。电压前置放大器处理低电平信号。因此，其固有噪声的大小非常重要。电阻是放大器中的主要噪声源。. ^; U, m* x+ s" i9 s
" O8 e, o8 w7 b! C A8 Q. ]" e; H
高线性放大和动态失真小是音频功放的主要要求。金属膜电阻是固有非线性极低的电阻元件，以大金属箔片为原料。线绕电阻与某些金属膜电阻的非线性特性相似，但在实际环境下，这种电阻的固有线性不足以保证线性放大。
$ M* l9 @, W& U9 D$ n- a1 V+ a0 ~$ g; T, L; z, P
音频功放电路设计往往与运算放大器相同 (如图3所示)。
- e: v+ j! j' G: e7 P+ P3 E: P0 P& z% D+ H# W* @, j7 ]) y
7 u+ O1 s2 f1 i
3 p- y" q( @ K0 O$ |: [) Y9 s! ~
图3：音频功放电路设计
& \. i* b( |: U. z" w6 M/ W1 N0 C7 G: Z9 [7 \
其增益$ k0 i3 A# s3 o5 ^8 n& t7 A& M m3 n' O
H( ^& d: {3 t* u, B6 R7 h+ gk = 1 + R2 / R1
; M) L1 |: i1 \. c' w" [" ?
/ V) x8 H5 u4 y) \) Y) L6 \6 l; w取决于负反馈分压电路中R2/R1的电阻比。电阻R1和R2耗散功率分别为
0 e. S8 R8 [! h3 N. i
& S" m7 J* P7 F7 `+ EP1 = [VO / (R1 + R2)]2 R1
! A5 @5 J9 B& F& F9 Z; V' n/ @6 V
6 Y+ r- Q% k* v7 P和
1 M2 G! H7 R" w4 ~* f, e
+ G, I( [4 E4 u, k" ~6 lP2 = [VO / (R1 + R2)]2 R20 f5 p& B9 o7 k9 m
) u% K7 A9 M2 ~- E+ ]- F$ V, ]4 S F
因此0 S/ X2 r7 ?2 |1 f6 @3 D2 O( z
8 \5 Y9 D0 `4 y- S4 }& c* S) VP2 / P1 = R2 / R1
& {- k; z9 o* q* T: X; I+ s( p( I, G& @( E
一般情况下，k > 2，因此R2 > R1。这意味着，电阻R2的功率耗散和升温总是高于电阻R1的功率耗散和升温。% C1 Y7 ]% R# s' q9 F9 T1 U7 x; t" V
) q2 S$ Z P& F1 ~
即使两个电阻的TCR相同 (理想情况下)，放大器的增益也不一样，因为R2/R1的电阻比由输出电压VO决定。因此，声音信号通常存在的尖峰和脉冲会造成放大器增益瞬时变化。这种结果是输入电压VI与输出电压VO之间的相互关系产生的非线性 (如图4所示)。
! W, C" X# v# H( G; J4 P% b: S6 y6 r- Z# P% F% _
: k5 S# a5 @: q6 Y
4 F1 r/ J/ z& m+ q+ o$ I( a& ~图4：即使两个电阻的TCR相同 (理想情况下)，放大器的增益也不一样。（"理想"、实际）
3 P9 ?- _+ P0 N% W7 D5 J% w% J3 h+ a7 [. u
这种现象称为温度导致的放大器非线性。这是由于电阻自热造成的，是电阻功率系数(PCR)的一种量化特征。减轻PCR的一种方法是选择TCR绝对值小的R1和R2电阻。; |$ F2 A7 T% A/ Q9 M, c
4 X0 V( u( `3 d, `) u( ?) S# u2 {
例如，同时给采用不同技术生产的三个1206大小的贴片电阻施加0.3 W负载：
) f; |+ i V) u# m* x$ Q0 p" n
( t5 m+ X# X. h* c3 ]: ^●厚膜贴片电阻，TCR约为+ 42ppm/°C
_' v8 S6 ?1 f% y7 A2 ~3 m8 W; j* P: u
●薄膜贴片电阻，TCR约为+ 4ppm/°C
5 F9 {6 G8 f7 A( J6 {8 [, A
6 a& I* V, _7 ^: @* _1 Z) g. W/ }●基于Z-Foil技术的大金属箔（Bulk Metal Foil）电阻，TCR约为 -0.1 ppm/°C。" W, k' A W. _4 k
* {2 E4 b8 @3 C8 j4 O9 v/ U. ~5 W# k
测试结果如下图所示。
* r. I! l# x4 C
5 C: R2 W9 d7 f% c% p- c" b# U! h, @# k/ I$ V
( h; P0 x' |0 x1 t; Q( ?) y
图5. 三类电阻自热阻抗 (电阻功率系数) 效果，在0.3-W 功率负载下持续测量9秒。(厚膜、金属箔、薄膜): s1 [0 J5 q! k' v* L8 X0 H, b* Z
0 h Y6 ~9 G( L6 c
相对阻抗稳定值变化如下：
m% g( Y1 W0 }( b" w
/ B" I/ G2 ~" `: s- d7 g●厚膜贴片电阻：+2000 ppm;
$ P7 h _: d/ n- i8 ~3 J
0 Z6 ]% y! f3 ]5 N- J●薄膜贴片电阻：-140 ppm;
& z+ |, B" T3 E0 Q3 @6 z( {/ R+ Z" x: K7 ]
●Bulk Metal Z-Foil电阻：+5 ppm.
& u/ b2 y; O: I; c5 a
# Y* |9 ]8 f; p+ n) m, ~ I当要求高线性放大、低动态失真时，大金属箔电阻是音频放大器的首选。我们特别推荐 VAR、Z201、S102C、Z203、VSHZ、VSMP 系列 (0603-2018)，VFCP 系列，SMRXDZ 系列电阻，这些电阻在音频应用中无噪声。 |
发表于 2018-10-24 09:19:53
