高端音頻應用電阻器選擇

在高端音頻設備中，慎重地選擇電阻器是避免或將信號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)有電阻器技術制造的電阻器中噪聲的生成情況，并且對每種類型的典型噪聲插入進行了量化。

　　電阻器中的噪聲

　　電阻器總噪聲由多個成分組成。與各種音頻應用密切相關的是熱噪聲和電流噪聲。

　　熱噪聲的顯著特點是與電阻材料無關。事實上，如果電阻和溫度相同，任何類型的電阻器的熱噪聲等級均相同。熱噪聲的電壓功率譜密度(PSD)ST [V2/Hz]在整個頻率范圍內均勻分布。其可以用下列表達式表示：

　　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系。通過實驗發(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：

　　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也越低。

　　下面圖表顯示了使用不同技術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，基于復合電阻材料(如碳和厚膜)的電阻器的電流噪聲等級最高。為什么呢?這是由于這些電阻元件材料的顯著非均質性造成的。這些復合材料中的導電路徑是由隔離矩陣中相互接觸的導電粒子形成的。當電流流經(jīng)這些“接觸位置”中的不穩(wěn)定接觸點時，它們便產(chǎn)生噪聲。

　　薄膜電阻具有相當強的均質結構，因此噪聲較低。薄膜是通過在陶瓷基板上蒸發(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(當膜較薄時，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，可以觀測到最低的噪聲等級：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，但是電阻元件細線和比較粗的電阻器接線端子接合點處可能產(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，因此避免了這個問題。然而，繞線電阻器的主要缺陷是其電感。電感可導致對信號峰值進行斬波以及嚴重依賴信號頻率上的電阻器阻抗。此外，必須對下列與繞線電阻器的電抗相關的影響格外關注：

　　音頻放大器可能在5 MHz至50 MHz以上自振蕩，影響音頻質量。

　　等效串聯(lián)電感(ESL)會引起大相移，影響音頻音調。

　　線圈可能起到拾取電磁干擾(EMI)的作用，超過通常電流噪聲等級。

　　箔電阻器避免了這些問題，因為它們是通過化學蝕刻扁平的大金屬箔構成的，因此，在相鄰載流路徑中的電流流動方向相反，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/電容電阻器的特點是不可測量的峰值到峰值的信號失真。

　　在高端音頻應用中的箔電阻器

　　高端模擬音頻應用要求固有噪聲低、放大線性度高和動態(tài)失真極小。典型的音頻放大器由電壓前置放大器(預放大)和功率放大器(最終驅動)組成。電壓前置放大器處理低電平信號。這就是固有噪聲等級至關重要的原因。電阻器是放大器中主要噪聲源之一。

　　對音頻功率放大器的主要要求是放大線性度高、動態(tài)失真極小。箔電阻器的特點是電阻元件(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，但是，在現(xiàn)實世界中，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?；谂c運算放大器類似的電路設計(圖3)。它的增益

　　取決于負反饋分壓器中的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超過在電阻器R1中的功耗和溫升。即使兩個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，這是因為R2/R1比率將取決于輸出電壓VO。因而，聲音信號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)。這個現(xiàn)象稱作溫度引起的放大器的非線性。其原因是電阻器的自熱，其定量的特點是電阻功率系數(shù)(PCR)。減小電阻功率系數(shù)(PCR)的方法是選擇具有最小絕對TCR值的R1和R2電阻器。

　　圖3

　　圖4

　　例如：將一個0.3 W的負載同時施加到采用不同技術制造的三個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箔技術的大金屬箔。

　　結果如下面的圖表中所示。相關電阻變化的穩(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功率負載條件下測量逾9秒鐘，自熱電阻(電阻功率系數(shù))對三種類型電阻器的影響

　　在放大線性度高和動態(tài)失真極小的要求下，對于音頻放大器而言，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，實現(xiàn)音頻應用中的無噪聲性能。