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(多图) 前置放大器、放大器和其他高端音频应用中电阻器的选择

威世通用半导体 迈克尔·贝尔曼博士 威世精密集团 尤瓦尔·海尔尼茨: EDN China?? 2011年01月28日 ?? 收藏0

  在高端音频设备中,慎重地选择电阻器是避免或将信号路径中的噪声和失真降至最低的最佳方法之一。本文描述了使用各种现有电阻器技术制造的电阻器中噪声的生成情况,并且对每种类型的典型噪声插入进行了量化。

  噪声是一种可能叠加在任何有用信号(含直流)上的无用宽频谱信号。像其他无源器件一样,电阻器会产生不同程度的噪声,噪声大小取决于电阻值、温度、施加的电压以及电阻器类型。

  有很多实验阐明某些电阻器比其他电阻器“噪声大”的原因。然而,音频专家和发烧友均认同的唯一检测方法就是:比较在实际音频系统中使用不同电阻器技术时形成的保真度。

  电阻器中的噪声

  电阻器总噪声由多个成分组成。与各种音频应用密切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,如果电阻和温度相同,任何类型的电阻器的热噪声等级均相同。热噪声的电压功率谱密度(PSD)ST [V2/Hz]在整个频率范围内均匀分布。其可以用下列表达式表示[1, p.76]:

公式

  其中

  R – 电阻器的电阻[W],T – 电阻器温度[K],k = 1.3807?10-23 J/K – 玻尔兹曼(Boltzmann)常数。

  另一方面,电流噪声与电阻材料的类型具有直接关系。通过实验发现,电流噪声的电压谱密度SE与电阻器上的直流电压降U的平方成正比,与频率f成反比[2, p.164]:

公式

  C是取决于电阻元件材料及其制造工艺的常数。

  图1显示了电阻器中总噪声电压的谱密度S。

电阻器中总噪声电压的谱密度

图1.电阻器中总噪声电压的谱密度

  电阻器中电流噪声等级通常用单位μV/V或者分贝(按照噪声指数[NI]dB)表示

公式

  其中,u是十进位带宽上的均方根噪声电压,而U是电阻器上的直流电压降。u和U的测量单位均是伏特。

  噪声指数越低,电阻器中的电流噪声等级也越低。

  下面图表显示了使用不同技术制造的电阻器的噪声指数。

商用电阻器的平均噪声指数

图2.商用电阻器的平均噪声指数

  如图表所示,基于复合电阻材料(如碳和厚膜)的电阻器的电流噪声等级最高。为什么呢?这是由于这些电阻元件材料的显著非均质性造成的。这些复合材料中的导电路径是由隔离矩阵中相互接触的导电粒子形成的。当电流流经这些“接触位置”中的不稳定接触点时,它们便产生噪声。

  薄膜电阻具有相当强的均质结构,因此噪声较低。薄膜是通过在陶瓷基板上蒸发或者喷溅电阻材料(例如:氮化钽(TaN)、硅铬(SiCr)和镍铬(NiCr))沉积形成的。根据电阻值的不同,该层的厚度范围一般为10到500埃。薄膜中的噪声是由夹杂、表面缺陷和不均匀的沉积(当膜较薄时,更加显著)造成的。这就是电阻膜越厚,电阻值越低,从而噪声等级越低的原因所在。

  在具有大金属电阻元件的电阻器中,可以观测到最低的噪声等级:箔电阻和绕线电阻。虽然线是由与箔材料类似的金属合金制成,但是电阻元件细线和比较粗的电阻器接线端子接合点处可能产生额外的噪声。在箔电阻器中,接线端子和电阻元件均为同一块箔的某些部分,因此避免了这个问题。然而,绕线电阻器的主要缺陷是其电感。电感可导致对信号峰值进行斩波以及严重依赖信号频率上的电阻器阻抗。此外,必须对下列与绕线电阻器的电抗相关的影响格外关注:

  •   音频放大器可能在5 MHz至50 MHz以上自振荡,影响音频质量[3, p.22-6]。
  •   等效串联电感(ESL)会引起大相移,影响音频音调[3, p.22-6]。
  •   线圈可能起到拾取电磁干扰(EMI)的作用,超过通常电流噪声等级[2, p.167]。

  箔电阻器避免了这些问题,因为它们是通过化学蚀刻扁平的大金属箔构成的,因此,在相邻载流路径中的电流流动方向相反,消除了这些路径中的寄生电感。而且,路径到路径的电容为串联,具有将电阻器的寄生电容降至最小的效果。这些低电感/电容电阻器的特点是不可测量的峰值到峰值的信号失真。


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放大器? 音频? 电阻器? EMI?

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