在音頻電路中，無源元件被用于設(shè)定電路增益，提供偏置和電源抑制，實現(xiàn)級間直流隔離等等功能。由于便攜式音頻設(shè)備的局限性，其空間、高度和成本都受到了嚴格限制，迫使設(shè)計者必須采用小尺寸、低截面和低成本的無源元件。但在使用之前，有必要對這些器件的音頻效果作一番研究，拙劣的元件選擇會顯著降低系統(tǒng)的性能。

一些設(shè)計者以為電阻和電容對音質(zhì)沒有什么大的影響，但實際情況是，很多在音頻信號通道上經(jīng)常使用的無源元件所固有的非線性特性，會帶來嚴重的總諧波失真（THD）。某些情況下，無源器件對于系統(tǒng)非線性的貢獻甚至于超出了放大器和DAC之類的有源器件，而后者通常被很多設(shè)計者看作是音頻性能的主要限制因素。

非線性之源

電容和電阻都存在一種所謂的電壓系數(shù)效應(yīng)：當(dāng)元件兩端的電壓改變時，元件的物理特性會發(fā)生某種程度的改變，其參數(shù)值也隨之改變。例如，當(dāng)一個兩端無電壓時阻值為1.00kΩ的電阻被加以10V電壓時，其實際電阻值變?yōu)?.01kΩ。這種效應(yīng)隨元件的類型、結(jié)構(gòu)和化學(xué)類型(對于電容)的不同而有很大差異。有些制造商可以提供電壓系數(shù)信息，以曲線方式給出了電容變化百分比對應(yīng)額定電壓變化百分比的關(guān)系。

現(xiàn)代薄膜電阻的電壓系數(shù)已非常好，實驗室條件下基本上測不到。然而，電容器則差強人意，會對性能產(chǎn)生影響：
（1）電壓系數(shù)：如前所述。
（2）介電吸收（DA）：類似于記憶效應(yīng)，表現(xiàn)為已被放電的電容仍持有一些電荷。
（3）等效串聯(lián)電阻（ESR）:和頻率有關(guān)：當(dāng)串聯(lián)耦合電容驅(qū)動低阻抗耳機或揚聲器時會限制功率輸出。
（4）顫噪效應(yīng)：一些電容有顯著的壓電效應(yīng)，物理應(yīng)力或變形會在電容兩端產(chǎn)生電壓。
（5）誤差較大：多數(shù)大容值電容(幾uF或更大)通常沒有嚴格規(guī)定精度。而電阻就很容易且廉價地做到1%或2%的容差。

下面的討論給出了一種測試方法，包括一個簡單的測試電路和現(xiàn)成的音頻測試設(shè)備，以便評價音頻信號通道上的電容器所帶來的不利影響。其目的不是對某種尺寸和額定電壓或元件類型進行取舍判定，只是要讓有關(guān)人士了解這種現(xiàn)象，展示出一些有代表性的結(jié)果，并提供一種測試手段，以便進行合理的比較和判斷。

測試方法描述

非線性交流響應(yīng)很容易在電容上觀察到。對于模擬音頻（有必要加以限制）的頻率響應(yīng)在大多數(shù)電路模塊中可分為高通、低通和帶通濾波器，這些濾波器的非線性對于音頻質(zhì)量有顯著影響。

考慮一個簡單的RC高通濾波器。當(dāng)頻率遠高于-3dB截止頻率時，電容器的阻抗低于電阻。當(dāng)有高頻交流信號通過時，只在電容器兩端產(chǎn)生很小的電壓，因此電壓系數(shù)所造成的變化應(yīng)該很小。不過，信號電流流過電容時，會在電容器的ESR上產(chǎn)生電壓。ESR的非線性達到一定程度就會使非線性失真惡化。

當(dāng)接近-3dB截止頻率時，電容和電阻的阻抗值達到同一數(shù)量級。結(jié)果是在電容器兩端產(chǎn)生明顯的交流電壓，同時又只對輸入信號產(chǎn)生很小的衰減。此時，電壓系數(shù)效應(yīng)接近其峰值。

本測試將聚焦于-3dB截止點的總諧波失真(THD)，突顯無源元件的非理想特性——主要來源于其電壓系數(shù)效應(yīng)。測試電路包括一個-3dB截止頻率為lkHz的高通濾器，和一個音頻分析器(Audio Precision System One)，以便觀察在更換不同結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和不同類型電容時的總諧波失真和噪聲（THD+N）惡化情況。考慮到可選電容類型的多樣性，選擇1uF容值的電容。它和150Ω的負載電阻形成了一個1kHz截止頻率的耳機濾波器。注意，本測試中被測電容兩端沒有直流偏壓。輸入和輸出有相同的直流電位。

聚酯電容器和參考基線

THD+N和頻率的關(guān)系曲線給出了測試裝置分辨率的上限，以及一種25V穿孔式聚酯電容器(在便攜設(shè)備中不常用)的最小影響。由電壓系數(shù)引起的非線性失真也不是很明顯。注意到在頻率低于lkHz時THD開始增加，但實際上輸出信號在頻率低于lkHz時也下降了，因而降低了由分析儀所記錄的信號vs噪聲(加失真)比率。關(guān)鍵區(qū)域在于lkHz以上，在此區(qū)間聚酯電容的表現(xiàn)良好，僅能測到相對于參考基線輕微的惡化。

鉭電介質(zhì)

便攜設(shè)備中�？梢钥吹姐g電容，通常用作隔直電容，特別是要求電容值大于幾uF時。表面安裝型鉭電容器和傳統(tǒng)的穿孔“浸漬”型鉭電容器(實驗室中很常見)同樣具有l(wèi)uF的容值，只是物理尺寸(外殼尺寸)和額定電壓不同。注意，本測試中電容器兩端沒有施加直流偏壓。

陶瓷電介質(zhì)

陶瓷電容器常用于音頻電路兩級間的交流耦合、低音增強和濾波電路。

觀察穿孔式陶瓷電容器的特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，最差情況是X5R電介質(zhì)，-3dB點的THD僅為0.2%。為便于比較，可將其等同為-54dB的失真。與此同時，大多數(shù)16位音頻DAC和CODEC的THD，相對于其滿度輸出至少要比這個數(shù)值(-54dB)好一個數(shù)量級。

需要注意的是，COG電介質(zhì)能夠保證很低的電壓系數(shù)，但是它的電容值僅限于0.047uF以下。

避免電容器電壓系數(shù)效應(yīng)的影響

立體聲耳機驅(qū)動IC(MAX4410)采用一種創(chuàng)新技術(shù)，稱為直接驅(qū)動。MAX4410工作于單一正電源PVDD時，卻可將輸出偏置設(shè)定在0V，這樣，就可以用直流耦合方式驅(qū)動耳機。它具有以下一些優(yōu)點：
（1）省掉了大尺寸的隔直電容(典型100gF至470gF)，同時也消除了一個由電壓系數(shù)引起的主要的THD來源。
（2）更低的-3dB截止頻率，由輸人電容和輸入電阻決定的截止頻率大約在1.6Hz，但若采用交流耦合方式驅(qū)動16Ω耳機，要實現(xiàn)1.6Hz的-3dB點就需要大約6200uF的電容。此外，低頻響應(yīng)也不再和負載相關(guān)了。
（3）省掉大尺寸電容，明顯節(jié)省了印制板面積。而且，和MAX4410的充電泵電路中所采用的1uF和2.2uF陶瓷電容相比，這種電容是很昂貴的。
（4）對于一個參照于地的負載，為了使輸出級能夠吸收和源出負載電流，MAX4410芯片產(chǎn)生了一個內(nèi)部的負電源來驅(qū)動放大器。由于這個電源(PVss)是正電源(VDD)的反相，可用的輸出電壓動態(tài)范圍(接近2VDD)是傳統(tǒng)的單電源、交流耦合耳機驅(qū)動器的兩倍。

在本例中，我們已給出了一個相對簡單的方法采降低輸入電容的電壓系數(shù)效應(yīng)在音頻頻段的影響，那就是選用超額容值的電容。假定輸入電阻為10kΩ，選用10uF陶瓷電容作為CIN。這種組合將 -3dB點置于1.6Hz，這樣，電壓系數(shù)非線性所造成的最壞影響也要比人耳能夠聽到的最低頻率低至少一個數(shù)量級。

總結(jié)

無源器件會給模擬音頻通帶采顯著的、可測量的性能惡化。這種效應(yīng)很容易用標準的音頻測試裝置測試和評價。在已經(jīng)過測試的電容類型中，鋁電解和聚酯電容有最低的THD，X5R陶瓷電容的THD最差。

而選擇有源器件時，應(yīng)注意盡可能減少模擬音頻電路中交流耦合電容的數(shù)量。例如，可以采用差分信號或直接驅(qū)動器件(1MAX4410)來饋送耳機。如果可能的話，在設(shè)計音頻電路時應(yīng)盡可能使用小容值電容，這樣就可以使用COG（玻璃片）或PPS（聚苯硫化塑膠）電容。為了減小交流耦合音頻電路中電壓系數(shù)的影響，可將-3dB點降低到遠低于實際需求的位置，例如10倍頻，將可能產(chǎn)生問題的頻率限制在次聲波頻段。