微軟公司新一代視窗操作系統Vista對臺式和筆記本電腦的音質提出了更高要求。電腦生產廠商必須滿足其音質規(guī)范才能得到Windows Vista LOGO 授權許可。這些新的規(guī)范主要包括音頻信號的THD+N(總失真度+噪音)，動態(tài)范圍及交叉干擾等音頻指標。
音頻放大器并非理想器件，其輸出會產生THD+N，而音頻信號通道中的無源器件對系統THD影響也很大。本文詳細介紹了音頻通道中的無源器件如何產生THD，并重點分析了非理想的2類電介質多層陶瓷電容器對THD的影響。
無源器件是否能成功設計音頻系統至關重要，因為它們可確定系統增益，提供合適偏置，抑制電源噪聲干擾，隔離直流等。不幸的是，便攜式設備由于體積、高度、成本的限制，它們只能采用小尺寸、低成本的器件。因此，如果不能真正了解這些小尺寸、低成本無源器件的非線性特性，要想通過微軟的Vista認證十分困難。
實際的電容器與理想的電容器的差異可以用電壓系數、溫度系數、壓電效應、等效串聯電阻、電感、漏電流、介質吸收及公差等量化表達。其中優(yōu)化設計音頻系統最重要的兩個參量是電容的電壓系數和逆向壓電效應(對電壓系數影響最大的參數)。
壓電效應
壓電效應是特定晶體的專有特性：在機械應力作用下，它們能產生電荷。對于晶體結構物質，當無外部機械壓力時，由于其結構的對稱性，無電荷輸出;一旦晶體受到外部應力，其結構的對稱性受到破壞，則產生凈電荷。
而逆向壓電效應則正好相反：當施加一個變換的電場時，晶體或物質的機械尺寸發(fā)生改變。K因子大的電容器(譬如，2類電介質)當外部施加電信號時，會有明 顯的逆壓電效應發(fā)生，結果導致電容器的機械尺寸改變。隨著電信號增強，電容器的物理變形越大，最終導致電容器的容值改變。對于圖1所示的隔直電容器，由于 逆向壓電效應，電容器容值變化會使得音頻放大器輸出增益非線性改變。
AV = RF/(1/sCIN + RIN).
由上式可見，電容的非線性變換主要影響音頻系統的低頻響應，這是因為其低頻阻抗在增益等式中占主要成份，其結果導致音頻系統響應失真。
該逆向壓電效應是目前為止對音頻低頻響應影響最大的因數(見圖2)。當該電容的容值等于音頻放大器的輸入阻抗時(或當f-3dB = 1/(2RINCIN)，其影響最大。對于一個典型的音頻放大器，其f-3dB 點通常在100Hz或低于100Hz 。
雖然逆向壓電效應在2類低電介質電容器中是影響電壓系數的主要因數，然而有趣的是，這些電容器容值改變量與是否施加交流電壓或恒定的直流偏置關系很大。
交流電壓的影響
雖然電容器的容值隨所加直流電壓增加減小，但卻隨所施加交流電壓幅值增加而增加(在一個合理范圍內)，見圖3。
當AC電壓增大到一定值時，電容器的容值又會減小，不過，對于通常的PC音頻電路，一般不會有如此大的AC電壓，因此本文不予分析。
圖3逆向壓電效應引起電容非線性變化導致音頻系統THD增加說明見圖4。
把一個X7R陶瓷電介質電容器串連在 MAXIM公司的音頻放大器(輸入阻抗 40kΩ)輸入端，CDUT 在10V電壓(0603)和25V電壓(1206)改變引入THD+N。精密音頻測試儀掃描，監(jiān)測輸出波形在小于等于1kHz時的失真度。請注意，10V 額定耐壓電容器的輸出失真比25V額定耐壓電容器的失真大。
低耐壓(即高電壓系數)產生較大THD是因為電容器在同樣電壓下逆向壓電效果更明顯，當輸入耦合電容器的阻抗等于音頻放大器的輸入阻抗時，產生的失真最大。(見圖5)
由于電壓系數隨電容器額定耐壓值增加而減小，因此較低頻帶的THD被減小。對于2類介電質電容器，選擇標稱耐壓高的產品更容易通過微軟 公司的Vista 音頻認證，不過電容器的尺寸會隨耐壓值的升高而變大。 例如，一個 1.0mF ± 20% ，10V 額定耐壓的陶瓷電容器的尺寸為：0603，而同樣容值，額定耐壓 25V的陶瓷電容器的尺寸則增大到 1206 。 盡管最近超小型筆記本電腦和臺式電腦主板越來越小，但為了遵從微軟Vista視窗操作系統20Hz~20kHz音頻帶寬內的THD+N規(guī)范，通常仍采用大 尺寸電容器作為耳機放大器輸入隔直電容。
電介質種類
電容器的介質種類影響THD大小。不同的介質產生的THD大小不一。在圖6 中我們用THD+N進行量化說明。一個1.0mF, 0603大小，16V額定耐壓陶瓷電容器被放置在MAXIM公司40kΩ輸入阻抗的音頻放大器的輸入作為隔直電容(CDUT)，CDUT 由于介質不同改變 值也不一樣( X7R或 Y5V), 從而導致20Hz~20kHz頻帶的THD+N也不同(采用精密音頻信號測試儀對輸出信號的20Hz~20kHz頻率成份進行掃描測量)。頻率高于 1kHz后，由于音頻放大器減小的環(huán)路增益抑制了電路失真，因此頻率高于1kHz后，電容值的改變對THD影響很小，所以圖中X7R，Y5V和 Plastic電容器的頻率失真曲線幾乎完全重合(>1kHz)。同時需要注意的是，圖中THD+N曲線從6.3kHz開始下滾(迅速下降)，這主 要是由于在頻譜分析儀輸入端有一個AES-17 (Audio Engieering Society) 20kHz 濾波器的緣故。根據該測量標準，20kHz以上的輸入頻率成份及高于6.3kHz的輸入頻率成份的3次諧波需要被快速衰減。
因此考慮音頻通的電容器時，選擇X7R介質電容器引入的THD較低，雖然X5R介質電容器的性能也比Y5V好，但采用X7R介質電容器引入的THD在2類介質電容器中得到的音頻品質最佳。
結語
器件的體積、高度及成本等因數通常是便攜式消費電子產品必須考慮的方面，選擇無源器件時，通常要求采用小體積、低成本產品。然而小體積、低成本的無源音頻耦合器件由于自身限制，影響了音頻電路低頻THD指標，使其難以滿足微軟公司 Vista 音頻規(guī)范。而以較小代價，采用體積稍大，額定耐壓高的X7R介質的陶瓷電容器引入的THD+N最小，是Vista 音頻電路設計人員值得考慮的最佳選擇之一。