正确选择电容种类优化电脑音质

微软公司新一代视窗操作系统Vista对台式和笔记本电脑的音质提出了更高要求。电脑生产厂商必须满足其音质规范才能得到Windows Vista LOGO 授权许可。这些新的规范主要包括音频信号的THD＋N（总失真度+噪音），动态范围及交叉干扰等音频指标。

音频放大器并非理想器件，其输出会产生THD＋N，而音频信号通道中的无源器件对系统THD影响也很大。本文详细介绍了音频通道中的无源器件如何产生THD，并重点分析了非理想的2类电介质多层陶瓷电容器对THD的影响。

无源器件是否能成功设计音频系统至关重要，因为它们可确定系统增益，提供合适偏置，抑制电源噪声干扰，隔离直流等。不幸的是，便携式设备由于体积、高 度、成本的限制，它们只能采用小尺寸、低成本的器件。因此，如果不能真正了解这些小尺寸、低成本无源器件的非线性特性，要想通过微软的Vista认证十分 困难。

实际的电容器与理想的电容器的差异可以用电压系数、温度系数、压电效应、等效串联电阻、电感、漏电流、介质吸收及公差等量化表达。其中优化设计音频系统最重要的两个参量是电容的电压系数和逆向压电效应（对电压系数影响最大的参数）。

压电效应

压电效应是特定晶体的专有特性：在机械应力作用下，它们能产生电荷。对于晶体结构物质，当无外部机械压力时，由于其结构的对称性，无电荷输出；一旦晶体受到外部应力，其结构的对称性受到破坏，则产生净电荷。

而逆向压电效应则正好相反：当施加一个变换的电场时，晶体或物质的机械尺寸发生改变。K因子大的电容器（譬如，2类电介质）当外部施加电信号时，会有明 显的逆压电效应发生，结果导致电容器的机械尺寸改变。随着电信号增强，电容器的物理变形越大，最终导致电容器的容值改变。对于图1所示的隔直电容器，由于 逆向压电效应，电容器容值变化会使得音频放大器输出增益非线性改变。

AV = R_F/(1/sC_IN + R_IN).

由上式可见，电容的非线性变换主要影响音频系统的低频响应，这是因为其低频阻抗在增益等式中占主要成份，其结果导致音频系统响应失真。

该逆向压电效应是目前为止对音频低频响应影响最大的因数（见图2）。当该电容的容值等于音频放大器的输入阻抗时（或当f-3dB = 1/(2RINCIN)，其影响最大。对于一个典型的音频放大器，其f-3dB 点通常在100Hz或低于100Hz 。

虽然逆向压电效应在2类低电介质电容器中是影响电压系数的主要因数，然而有趣的是，这些电容器容值改变量与是否施加交流电压或恒定的直流偏置关系很大。

交流电压的影响

虽然电容器的容值随所加直流电压增加减小，但却随所施加交流电压幅值增加而增加（在一个合理范围内），见图3。

当AC电压增大到一定值时，电容器的容值又会减小，不过，对于通常的PC音频电路，一般不会有如此大的AC电压，因此本文不予分析。

图3逆向压电效应引起电容非线性变化导致音频系统THD增加说明见图4。

把一个X7R陶瓷电介质电容器串连在 MAXIM公司的音频放大器（输入阻抗 40kΩ）输入端，CDUT 在10V电压（0603）和25V电压（1206）改变引入THD＋N。精密音频测试仪扫描，监测输出波形在小于等于1kHz时的失真度。请注意，10V 额定耐压电容器的输出失真比25V额定耐压电容器的失真大。

低耐压（即高电压系数）产生较大THD是因为电容器在同样电压下逆向压电效果更明显，当输入耦合电容器的阻抗等于音频放大器的输入阻抗时，产生的失真最大。（见图5）

由于电压系数随电容器额定耐压值增加而减小，因此较低频带的THD被减小。对于2类介电质电容器，选择标称耐压高的产品更容易通过微软 公司的Vista 音频认证，不过电容器的尺寸会随耐压值的升高而变大。 例如，一个 1.0mF ± 20% ，10V 额定耐压的陶瓷电容器的尺寸为：0603，而同样容值，额定耐压 25V的陶瓷电容器的尺寸则增大到 1206 。 尽管最近超小型笔记本电脑和台式电脑主板越来越小，但为了遵从微软Vista视窗操作系统20Hz~20kHz音频带宽内的THD＋N规范，通常仍采用大 尺寸电容器作为耳机放大器输入隔直电容。

电介质种类

电容器的介质种类影响THD大小。不同的介质产生的THD大小不一。在图6 中我们用THD＋N进行量化说明。一个1.0mF, 0603大小，16V额定耐压陶瓷电容器被放置在MAXIM公司40kΩ输入阻抗的音频放大器的输入作为隔直电容（CDUT），CDUT由于介质不同改变 值也不一样（ X7R或 Y5V）, 从而导致20Hz~20kHz频带的THD＋N也不同（采用精密音频信号测试仪对输出信号的20Hz~20kHz频率成份进行扫描测量）。频率高于 1kHz后，由于音频放大器减小的环路增益抑制了电路失真，因此频率高于1kHz后，电容值的改变对THD影响很小，所以图中X7R，Y5V和 Plastic电容器的频率失真曲线几乎完全重合（>1kHz）。同时需要注意的是，图中THD＋N曲线从6.3kHz开始下滚（迅速下降），这主 要是由于在频谱分析仪输入端有一个AES-17 (Audio Engieering Society) 20kHz 滤波器的缘故。根据该测量标准，20kHz以上的输入频率成份及高于6.3kHz的输入频率成份的3次谐波需要被快速衰减。

因此考虑音频通的电容器时，选择X7R介质电容器引入的THD较低，虽然X5R介质电容器的性能也比Y5V好，但采用X7R介质电容器引入的THD在2类介质电容器中得到的音频品质最佳。

结语

器件的体积、高度及成本等因数通常是便携式消费电子产品必须考虑的方面，选择无源 器件时，通常要求采用小体积、低成本产品。然而小体积、低成本的无源音频耦合器件由于自身限制，影响了音频电路低频THD指标，使其难以满足微软公司 Vista 音频规范。而以较小代价，采用体积稍大，额定耐压高的X7R介质的陶瓷电容器引入的THD＋N最小，是Vista 音频电路设计人员值得考虑的最佳选择之一。