音频放大器耦合电容对音质影响的定量分析------Car_radio

chenang39

　　阿里巴巴推荐一篇文章，勾引起对耦合电容和音质关系的做个定量分析的好奇心。
　　
　　为这次测试，收集了如下电容样本，标称容量都是0.1uF的。

　　图中1号是个陶瓷介质电容；2-6号是各种类型的薄膜电容，其中6号是西门子的，其余是杂牌，有国内也有国外的；7号是陶瓷密封油浸薄膜电容，耐压最高，是1000V。　　
　　
　　有人会问，这么小容量的电容几乎不用到音频耦合回路里面呢！呵呵，这个问题当然是和后级电路的输入阻抗有关联。当后级输入阻抗大于47k欧时，0.1uF电容耦合对低频损失是可以接受的。测试电路很简单，如下图。

　　大家知道，很多音频的指标对音质有直接影响。不如说信噪比、动态、输出功率、谐波失真。。。等等，大家尽量发挥自己的想象力，这么简单的一个电路里面，电容究竟会对那个重要的指标有影响而改变音质呢？
　　
　　当然，最容易影响的是频响。但是前面提到了，只要RC时间常数足够大，低频下降就可以忽略，所以这里不予以考察。这次重点放在THD即全谐波失真指标的测量与分析。　　
　　
　　下面这个图标是R=2K时，7个电容对应的THD+噪声和信号频率的关系。

      图中线是耦合电容短路（即信号直通）时的失真曲线，也是这个测量系统在这个条件下的测量极限。
　　实际上，看到这张曲线图是，我心里是吓了一跳的。特别是1#样本，在500Hz以下频率，失真居然会达到0.2%以上！这个量级对训练有素的耳朵来说是能够听出来的了。
　　　　
　　眼尖的同学或者会看出来，由于电阻取的是2K，而电容只有区区0.1uF，所以这个电路是个一阶高通滤波器。当频率很低时输出会衰减很多，而我们测的是（THD+噪声）/（信号＋噪声），即这是信号变小了，比值自然会增大。也就是说，这个结果未必是真的谐波引起的。所以，我们有必要还是定量的看一下到底高通曲线是啥样子。如下图。

　　哈哈，500Hz对于平顶部分只下降了4dB。所以上面的担忧可以排除了。看来真的是有谐波失真发生哦，真郁闷！　　
　　
　　不到黄河心不死！我要看谐波成分是啥样子。对了，做快速傅立叶分析。
　　
　　做了1号和7号两个样本分别在1kHz和400Hz输入时的谐波成分分析，如下图。
　　　　
　　1kHz输入时

400Hz输入时

　　果然，全部都是如假包换的谐波！接受这个现实的同时，就得回答一个问题了：电容是非线性元件吗？怎么会有这么大的非线性失真呢？
　　鉴于失真最厉害的是1号陶瓷电容，而陶瓷材料会有压电特性。是不是这些电容因为加上电压后有什么变化呢？于是给电容加上偏置电压，选了1号、4号和7号三个样本，测试结果如下图。

　　图表中可以看出，1号样品缺失电容量虽偏置电压变化而变化。偏压从0V变到15V时，容量居然从96.3nF变化到98.2nF，变化率达到1.97%！另外两个样品却没测出来类似的容量变化。　　
　　
　　那么，1号样品的这个偏压-容量变化关系在这个耦合电路里会引起什么样的后果呢？
　　
　　一般的来说，有交流信号通过电容时，电容会有一个阻碍作用，既是容抗。容抗Ｘc=1/(ωC)=1/(2πfC)。如果信号的频率ｆ不变，当Ｃ变化时，Xｃ也是变化的。　　
　　
　　我们再看前面的测试电路，实际是一个Ｘｃ与Ｒ的串联分压电路。Ｘｃ越大，输出越小。呵呵，问题原来在这里了！对于１#电容，当交流信号在过０点时，电容是一个容量。当信号不在０点时相当于对电容加了一个偏压；而在波峰或波谷时，偏压达到了最大。既是说，一个周期的信号通过电容时，电容的容量经历一个容量由小到大再由大到小的循环。输出信号Ｖｏ＝R/(Xc//R)；当Xc变化时，Ｖｏ自然也就发生变化了。这就是的整个电路表现出了非线性特性！输入一个标准正弦波时，输出的却是幅度不按正弦规律变化的畸变波形，这样子谐波失真自然就产生了。　　
　　
　　同样的，这个结论也能解释为何频率高时失真小而频率低时失真大。当信号频率高时，Xc就小，基数小了，变数自然也就更加小，当Ｘｃ小到和Ｒ比可以忽略时，变数引起的畸变自然也无影无踪了。所以失真特性曲线上，不管那个电容对应的高频段，谐波失真都非常小，直到没有失真。　　
　　
　　由于失真是由电容有偏压时引起容量变化而产生的，而偏压越大，电容变化也越大。那么当信号电压大时，输出信号的失真也会更大！实际的情况任何呢？看看下面的测试曲线，描述的是失真对输入信号强度的关系，信号频率是１ｋＨｚ。



　　图中最下面那条线是电容短路时的测试结果，当作参考。注意到当输入信号大于１００ｍＶ时，随着信号强度的增加，ＴＨＤ也越来越大。当输入信号达到１０Ｖｒｍｓ时，失真达到0.1５％左右。　　
　　
　　记得前面我们也测了４号和７号电容的偏压-容量特性，在电桥的分辨力范围几乎没看到有容量的变化。但是在失真曲线上看到的谐波失真却是不能忽略的。那这又是怎么回事呢？
　　
　　为了找到这个回答这个疑问的蛛丝马迹，于是对７个电容做了比较全面的参数测量，结果如下表。


　　看数据我们可以发现，测试频率不同，同一电容的容量也会不同。为了方便比较，表格的右边专门算出了１００Ｈｚ和１０ｋＨｚ测试频率时同一个电容器的电容量的比值。画成图表如下。


　　如果和失真曲线比照，会发现容量变化大的，失真也大。如图中１#最大，失真也最大；４＃第二，对应失真图上４００Ｈｚ－８ｋＨｚ这段范围内失真表现都很突出；５＃变化最小，失真也几乎是最贴近参考线。　
　　
　　同样的，我们也可以整理一下损耗（方位角正切）的数据，如下面图表。


   　１＃、４＃、５＃的变化规律，同样是和失真特性相应证的。即损耗越大，引起的信号失真也大！　　
　　
　　综上所述，电压效应（电压-容量变化关系）于对电压敏感的陶瓷电容是引起其产生谐波失真的主要因素。而对电压不敏感的薄膜类电容，介质损耗、等效串联电阻等因素同样能引起非线性失真，只是这时引起的失真数量级比较低，绝大多数场合是可以接受且人耳不能觉察的。　
　　
　　小结：该怎么决定音频电路中的耦合电容呢？　　
　　
　　很显然，能不用电容耦合就不要用了，现在有源器件的性能已非老早工业时代的产品所能比拟，设计出纯ＤＣ放大电路已经不是什么特别难的课题了。哦，你不得不要选用电容做耦合，其实结论上面已经有了。第一不是万不得已，别选用瓷介电容；第二，要挑选Ｑ值高、ＥＳＲ小、介电损耗小的电容，同时注意高频性能要尽量的好。　　
　　
　　最后，上一个钽电解电容和铝电解电容（４．７ｕＦ，Ｒ取６００欧）的比较测试结果，当作是本文的结尾吧。


　　图中，绿线是钽电解，红线是铝电解，这样子的特性，明白了该选哪个做耦合电容了吧？

Tieg3023

：好文，介绍的详细的，学习了！

月夜宁静

不错的贴,先顶一下.

也有一些疑问

一:楼主的测试电路,电容是否分极性?最后的测试铝和钽电容的极性影响是否考虑进去?

二:测试电路OUT端接的什么仪器?测试工具本身对测试结果是否有影响?有多大影响?

三:看图片是电脑软件的截图,是否是通过声卡输入端来得出测试成绩,声卡自身品质的影响是否考虑在内?

四:电容的容量和电阻的值取舍有问题.

五:..............

个人认为：

一：钽电容理论上确实不合适做为耦合电容，但在现今市场上劣质铝电解的大环境下，钽电容的频响表现要强于铝电解。

二：本人现用的所有耦合电容全部用的是4.7UF~10UF的陶瓷积层贴片电容，对比铝电解，钽电解，还是这种电容声音最好。

三：音质最好的应该是无极薄膜电容，但容量偏小体积偏大，且价格高。

[ 本帖最后由 月夜宁静 于 2008-10-23 00:24 编辑 ]

chenang39

原帖由 月夜宁静 于 2008-10-22 23:40 发表
不错的贴,先顶一下.

也有一些疑问

一:楼主的测试电路,电容是否分极性?最后的测试铝和钽电容的极性影响是否考虑进去?

二:测试电路OUT端接的什么仪器?测试工具本身对测试结果是否有影响?有多大影响?

三:看 ...

引用：  这套东东不是NI的，是AP的，也不是私人的，太**的贵了。音频分析AP更专业。 (0字节) (Car_radio 今天08:48:56  阅读:0 回复:0)
勿用怀疑仪器档次。
您可到原帖看看http://bbs.auyeh.net/0002.asp?open=12965

月夜宁静

原帖由 chenang39 于 2008-10-22 23:47 发表

引用：  这套东东不是NI的，是AP的，也不是私人的，太**的贵了。音频分析AP更专业。 (0字节) (Car_radio 今天08:48:56  阅读:0 回复:0)
勿用怀疑仪器档次。
您可到原帖看看http://bbs.auyeh.net/0002.asp?open= ...

哦,转贴的.没看清.不好意思..

学习了...

不过话说回来,我不相信仪器,我相信自已的耳朵,因为音乐最终是给人听的.

由此贴看来:铝电解低频特性好,钽或陶瓷高频特性好,用钽或陶瓷做耦合的话,会使1K以下的低频失真变大,声音变混变噪

然而受音箱设计,扬声器单元和听音间的限制而产生的失真来相比,,钽或陶瓷产生的这点THD失真根本不算什么.频响和细节表现要重要的多.

当然理论上来说,还是用优质的铝电解+中等容量的钽电解+小容量的陶瓷积层给功放和运放电路供电.

       用无极薄膜电容来充当耦合和分频器电路.

       这样就一了百了,无可争议了

[ 本帖最后由 月夜宁静 于 2008-10-23 01:02 编辑 ]

乙猪

好帖，以后就专用5#。

月夜宁静

5#就是无极薄膜电容,那长相,常在分频器高通电路上看到

月夜宁静

"指标高不代表好声,但好声的机器指标不会差" 直热胆版主好象说过这样的话.

这句话在HIFI界应该算是公理了.

也就意味着,在整套音响系统中存在很多类型的综合失真,其中音箱占了多成.

而电容的不同虽对音质有些许的影响,但那是在非常精密好机上才能表现的出来.

对于一般HIFI玩家而非HIEND玩家来说,更应该注重的是解码输出芯片,前运放,末级功放电路,供电,音箱和分频器的调整

只有这一切都调无可调的时候,才会在电容和电路设计上进行微调,然而这也是互相影响的.

因为可以说没有人真正的听过所谓的"正确的声音",音响界没有非常明解的好声的标准.谁来做仿例??拿大奥耳机加胆耳放加马兰士顶机CD机做标准?怕也并不合所有人的耳朵吧...

最终只能在保证音质的失真不超过某个限度,音色均衡的基础上,调出自已满意的个性(音染),达到自已的欣赏音乐的目的即可了.

音乐还是用来听的,音响是为音乐服务的,音响不是精密的天文仪器

举个例子:

音乐的回放,就象去拍艺术摄影,拿最好的相机的人并不一定能拍出最美的照片,而有灵感有技术的人,懂审美懂艺术的人,往往就能抓住那瞬间的美,拍出的照片让人惊叹.

音响DIY不仅仅是个技术活,更是个艺术活.讨论完毕!感谢楼主精彩的转贴!

[ 本帖最后由 月夜宁静 于 2008-10-23 01:05 编辑 ]

1a5gt

耦合电容对音色的影响应该是个不争的事实,作者的意图无非是告诉我们,现在大量生产的CBB电容应该是比较好的电容,理论与实践也证明了这一点,
比如许多人乐意采用WIMA MKP电容就是其中之一,而古老的电容如sprague vitaminQ也有人爱用,价格还比WIMA贵,

60年代的爱好者

实验的方法说明问题比较好，比空泛议论实在得多。
   但是，请 注意：这里实验的条件是R=2K，这与一般的电路参数相差很远，也许是为了突出对比效果？
    当R=500K时，结果将是C的影响大大减小。
   所以，由于实验参数的原因，还不能完全套用。

chenang39

谢谢大家，学习了。
好帖子要一起分享。

cph924

好文章！好好学习，好好思考。

月夜宁静

确实是好贴,再顶一下..思考中!!!!

HLTP

我還是用國產油浸電容吧

月夜宁静

我自已也做了个简易的实验...确实有点......

现在迷糊了,不知是否是心理暗示造成的.

钽和陶瓷积层的THD在低频方面特性都不好,普通的铝电解高频方面又不好....让人难以取舍了...