高端音频应用电阻器选择

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。

　　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。

　　热噪声的显着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：

　　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：

　　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。

　　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

　　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。

　　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着非均质性造成的。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，更加显着)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。

　　等效串联电感(ESL)会引起大相移，影响音频音调。

　　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。

　　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。

　　在高端音频应用中的箔电阻器

　　高端模拟音频应用要求固有噪声低、放大线性度高和动态失真极小。典型的音频放大器由电压前置放大器(预放大)和功率放大器(最终驱动)组成。电压前置放大器处理低电平信号。这就是固有噪声等级至关重要的原因。电阻器是放大器中主要噪声源之一。

　　对音频功率放大器的主要要求是放大线性度高、动态失真极小。箔电阻器的特点是电阻元件(由大金属制成)的固有非线性度非常低。绕线电阻器和一些金属膜电阻器具有类似的非线性度特点，但是，在现实世界中，电阻器的固有线性度不足以确保放大线性度。

　　 音频功率放大器通常基于与运算放大器类似的电路设计(图3)。它的增益

　　取决于负反馈分压器中的R2/R1电阻比率。电阻器R1和R2分别消耗功率

　　和

　　所以

　　通常k 》 2，故R2》 R1。这表明，在电阻器R2中的功耗和温升总会超过在电阻器R1中的功耗和温升。即使两个电阻器均具有相同的TCR(理想情况)，该放大器的增益也将变化，这是因为R2/R1比率将取决于输出电压VO。因而，声音信号的典型尖峰和脉冲可能造成放大器增益的瞬态变化。其结果是输入电压VI和输出电压VO之间的非线性依赖(图4)。这个现象称作温度引起的放大器的非线性。其原因是电阻器的自热，其定量的特点是电阻功率系数(PCR)。减小电阻功率系数(PCR)的方法是选择具有最小绝对TCR值的R1和R2电阻器。

　　图3

　　图4

　　例如：将一个0.3 W的负载同时施加到采用不同技术制造的三个1206尺寸的片式电阻器：

　　TCR约为+ 42ppm/°C的厚膜片式电阻器

　　TCR约为+ 4 ppm/°C的薄膜片式电阻器

　　TCR约为-0.1 ppm/°C的、基于Z箔技术的大金属箔。

　　结果如下面的图表中所示。相关电阻变化的稳定值如下所述：

　　厚膜片式电阻器：+2000 ppm;

　　薄膜片式电阻器：-140 ppm;

　　大金属Z箔：+5 ppm。

　　图5.在0.3-W功率负载条件下测量逾9秒钟，自热电阻(电阻功率系数)对三种类型电阻器的影响

　　在放大线性度高和动态失真极小的要求下，对于音频放大器而言，大金属箔电阻器是较好的选择。威世精密集团特别推荐VAR、Z201、S102C、Z203、VSHZ、VSMP系列(0603-2018)，VFCP系列和SMRXDZ系列电阻器，实现音频应用中的无噪声性能。