非线性的来源

电容器和电阻器都表现出一种称为电压系数的现象，即元件上电压的变化在某种程度上改变了其物理特性，从而改变了其值。例如，当施加10V电压时，没有电压的特定1.00k欧姆电阻变成1.01k欧姆电阻。根据组件的类型、结构和(对于电容器)化学性质的不同，这种效果差别很大。电压系数信息有时可以从制造商那里以图表的形式获得，显示电容变化的百分比与额定电压的百分比。

现代薄膜电阻器的电压系数很好，通常低于实验室测量的水平。另一方面，电容器会因为偏离理想状态而限制性能:

• 电压系数:如前所述。

• 介电吸收(DA):一种类似记忆的效应，放电后的电容器保留了先前储存在其上的一些电荷。

• 等效串联电阻(ESR):这可能与频率有关，并且当串联耦合电容器驱动耳机或扬声器的低阻抗时，可能会限制功率输出。

• 传声器:有些电容器具有明显的压电效应，在这种效应中，电容器的物理应力和弯曲会在两端产生电压。

• 公差差:对于大多数大值电容器(几µF或更高)，精度没有严格规定。另一方面，电阻器的公差为1%或2%，既便宜又可靠。

下面的讨论概述了一种测试方法，该方法由一个简单的测试电路和可用的音频测试设备组成，可以量化音频信号路径中电容器的不良影响。其目的不是对特定的尺寸、电压额定值和外壳类型进行判断，而是提醒读者注意这些现象，显示具有代表性的结果，并提供一种允许进行有意义的比较和得出结论的测试方法。

测试描述

在电容器中很容易发现非线性的交流效应。音频的频率响应(必然受到限制)决定了大多数电路模块包括高通、低通或带通滤波器电路，并且这些滤波器的非线性可以产生真实的和可测量的影响。

考虑一个简单的高通RC滤波器(图1)。在远高于其-3dB截止频率时，电容器的阻抗相对于电阻的阻抗较低。高频交流信号的应用在电容器上产生很小的电压，因此由于电压系数引起的任何变化都应该是最小的。然而，流经电容器的信号电流在电容器的ESR上产生相应的电压。该ESR的任何非线性分量加在适当的水平上，可以降低THD。

然而，在-3dB截止点及其附近，电容器和电阻的阻抗是同一量级的。其结果是在响应的某一点上，电容上有一个显著的交流电压，对输入信号只施加很小的衰减。因此，任何电压系数效应都倾向于在该点附近达到峰值。

通过关注-3dB截止时的THD，该测试突出了非理想行为，主要是由于电压系数。测试电路基于在1kHz时具有-3dB截止的高通滤波器和一个音频分析仪(音频精密系统1)，该分析仪寻找THD+N的任何退化，同时替换各种不同结构，化学和类型的电容器。选择1µF电容值是因为它提供了广泛的测试电容类型选择。它装载了一个150欧姆电阻，形成一个耳机滤波器，标称1kHz截止。请注意，被测电容器没有直流偏置。输入和输出具有相同的直流电势。

聚酯电容器和参考基线

图2中THD+N与频率的关系图显示了测试设置中的分辨率极限，以及在便携式设计中通常不使用的25V通孔聚酯电容器的最小影响。电压系数引起的THD衰减很小，如果有的话，也是很明显的。请注意，聚酯电容器允许THD上升到1kHz以下，但输出信号实际上以低于1kHz的频率下降，从而降低了分析仪记录的信噪比(加上失真)。关键区域在1kHz及以上，其中聚酯电容器性能良好，仅略低于参考测量值。

钽介质

钽电容器通常用于便携式设备，通常用于阻挡耳机的直流电压，特别是当需要超过几µF时。图3中的另一个THD+N与频率的关系图比较了三种流行的SM钽电容器与实验室中可用的传统通孔“浸入”钽电容器的变化。电容器的值也是1µF;只有它们的物理尺寸(外壳尺寸)和额定电压不同。见表1。在此测试中，电容器没有施加直流偏置。

陶瓷介电

陶瓷电容器通常用于音频级之间的交流耦合，以及在低音升压和滤波电路中。根据表2中列出的元件，有各种类型的电介质可供选择，如图4所示。

图4还描述了从随机分类的实验室组件中选择的通孔陶瓷电容器的性能。X5R电介质在-3dB点的最差结果仅为0.2% THD。准确地说，这种性能相当于-54dB级别的失真。大多数16位音频dac和编解码器的THD，就满量程而言，至少比这好一个数量级。请注意，C0G介质可以表现出非常低的电压系数，但此时它们的电容范围仅限于接近0.047 μ F及以下的值。这些测试基于1µF电容器，因此不包括C0G类型。

如何避免电容器电压系数效应

图5显示了一种线路输入拓扑，其新颖的交流耦合配置允许比传统配置低得多的输入电容值。本例中(C1)的输入电容为0.047µF，可指定为具有C0G介电介质的陶瓷，外壳尺寸为1206，这种配置可最大限度地减少电压系数效应对THD的贡献。运算放大器(应该是具有低输入偏置电流的器件，如MAX4490)的直流反馈由两个100k欧姆电阻提供。音频直流反馈路径的影响被C2和R5衰减，因此大部分反馈来自R1和R2通过C1。根据所示值，-3dB点被设置为5Hz。

这种类型的复合反馈最终具有一阶LF滚降，但可以在高通截止频率附近调谐为二阶响应。因此，在根据图5所示的值调整组件值时，要特别注意超调和峰值。示例中的值近似于一个最大平坦的高通函数。这种电路原理可以很容易地适应于准差分(地面传感)和全差分输入级。

如图7所示的立体声耳机驱动IC (MAX4410)采用了一种名为DirectDrive 的创新技术，其中输出偏置由单个正电源供电，设置为0V，以允许直接直流耦合到耳机。以下是几个优点:

• 消除了大型直流阻塞电容器(100µF - 470µF，类型)，从而消除了基于电压系数的显着THD贡献。

• 现在由输入电容和输入电阻定义的-3dB截止值约为1.6Hz，如图7所示，但在用于16欧姆耳机的标准交流耦合耳机驱动器中，-3dB点为1.6Hz需要约6200µF。此外，低频响应不再依赖于负载。

• 消除大外壳电容器节省了大量的PCB面积。与MAX4410电荷泵电路所需的1µF和2.2µF陶瓷电容器相比，这种电容器价格昂贵。

• 为了使输出接收和源负载电流与地参考负载，芯片为放大器产生一个内部负电源。由于该电源(P(VSS))是正电源(V(DD))的反向版本，因此输出处的可用电压摆幅(几乎2V(DD))是传统单电源交流耦合耳机驱动器的两倍。

在这个例子中，通过增大输入电容的尺寸来最小化输入电容对音频带宽的电压系数影响是一件相对简单的事情。给定10k欧姆输入电阻，为C(IN)选择10µF陶瓷。这种组合将-3dB点置于1.6Hz，因此电压系数非线性造成的最坏影响至少比所再现的最低可听频率低一个数量级。

关于更大值的电容器，图8两种100µF的电容器与16欧姆电阻一起使用，形成无源高通滤波器。在100Hz， -3dB频率下，由于电容器的电压系数，这两种类型都贡献了显著的THD。在-3dB截止时，100µF钽对THD+N的贡献为0.2%，相当于图4中表现最差的陶瓷器件。使用DirectDrive组件或类似技术从音频路径中消除这些设备，可以显着提高音频质量，特别是在低频时。在图8中，MAX4410用于导出参考图(测量极限)。

总结

无源元件可以增加真实的，可测量的退化音频路径。这些效果可以很容易地检查和评估使用标准音频测试设备。在测试的电容器类型中，铝电解电容器和聚酯电容器的THD最低。X5R陶瓷的THD最差。

在选择有源元件时，要注意尽量减少音频级中交流耦合电容器的数量。例如，使用差分信号路径或DirectDrive组件耳机馈送(例如，MAX4410)。如果可能的话，设计具有低电容值的音频电路，其中可以使用C0G或PPS电介质。为了减少交流耦合音频级中的电压系数效应，可以通过将-3dB点降低10倍，将潜在问题限制在亚音频频率上。