选择前置放大器、放大器和其他高端音频应用的电阻

出处:horny 发布于:2010-11-04 10:45:30

     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。

  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,但音频和发烧友达成共识的实验,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。

  电阻噪声

  电阻整体噪声由多种分量组成。与音频应用相关的是热噪声和电流噪声。

  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。

  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]:

  ST = 4kTR

  式中

  R - 电阻阻抗 [Ω],

  T - 电阻温度 [K],

  k = 1.3807×10-23 J/K - 玻尔兹曼常数。

  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]:

  SE = (C ? U2) / f

  C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。

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)

  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)

  [NI]dB = 20log[(u / U) ? 106]

  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。

  下图所示为采用不同技术生产的电阻的噪声指数 [2, p.168]。

图2. 商品化电阻平均噪声指数。

  (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)

  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。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。

  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。

  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: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。

  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:

  ●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]。

  ●等效电感(ESL)会产生很大相移,影响音频音质[3, p.22-6]。

  ●线圈会拾取电磁干扰(EMI)信号,增加实际电流噪声 [2, p.167]。

  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。

  高端音频应用中的金属膜电阻

  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。

  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。

  音频功放电路设计往往与运算放大器相同 (如图3所示)。

 图3:音频功放电路设计

  其增益

  k = 1 + R2 / R1

  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

  P1 = [VO / (R1 + R2)]2 R1

  和

  P2 = [VO / (R1 + R2)]2 R2

  因此

  P2 / P1 = R2 / R1

  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。

  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)。

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)

  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小的R1和R2电阻。

  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:

  ●厚膜贴片电阻,TCR约为+ 42ppm/°C

  ●薄膜贴片电阻,TCR约为+ 4ppm/°C

  ●基于Z-Foil技术的大金属箔(Bulk Metal Foil)电阻,TCR约为 -0.1 ppm/°C。

  测试结果如下图所示。

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)

  相对阻抗稳定值变化如下:

  ●厚膜贴片电阻:+2000 ppm;

  ●薄膜贴片电阻:-140 ppm;

  ●Bulk Metal Z-Foil电阻:+5 ppm.

  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。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。

关键词:电阻放大器

版权与免责声明

凡本网注明“出处:维库电子市场网”的所有作品,版权均属于维库电子市场网,转载请必须注明维库电子市场网,https://www.dzsc.com,违反者本网将追究相关法律责任。

本网转载并注明自其它出处的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品出处,并自负版权等法律责任。

如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

上传BOM文件: BOM文件
*公司名:
*联系人:
*手机号码:
QQ:
应用领域:

有效期:
OEM清单文件: OEM清单文件
*公司名:
*联系人:
*手机号码:
QQ:
有效期:

扫码下载APP,
一键连接广大的电子世界。

在线人工客服

买家服务:
卖家服务:

0571-85317607

客服在线时间周一至周五
9:00-17:30

关注官方微信号,
第一时间获取资讯。

建议反馈

联系人:

联系方式:

按住滑块,拖拽到最右边
>>
感谢您向阿库提出的宝贵意见,您的参与是维库提升服务的动力!意见一经采纳,将有感恩红包奉上哦!