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前置放大器、放大器和其他高端音頻應用中電阻器的選擇
邁克爾·貝爾曼博士  尤瓦爾·海爾尼茨

在高端音頻設備中,慎重地選擇電阻器是避免或將信號路徑中的噪聲和失真降至最低的最佳方法之一。本文描述了使用各種現有電阻器技術制造的電阻器中噪聲的生成情況,并且對每種類型的典型噪聲插入進行了量化。
  噪聲是一種可能疊加在任何有用信號(含直流)上的無用寬頻譜信號。像其他無源器件一樣,電阻器會產生不同程度的噪聲,噪聲大小取決于電阻值、溫度、施加的電壓以及電阻器類型。
  有很多實驗闡明某些電阻器比其他電阻器“噪聲大”的原因。然而,音頻專家和發燒友均認同的唯一檢測方法就是:比較在實際音頻系統中使用不同電阻器技術時形成的保真度。
  電阻器中的噪聲
  電阻器總噪聲由多個成分組成。與各種音頻應用密切相關的是熱噪聲和電流噪聲。
  熱噪聲的顯著特點是與電阻材料無關。事實上,如果電阻和溫度相同,任何類型的電阻器的熱噪聲等級均相同。熱噪聲的電壓功率譜密度(PSD)ST [V2/Hz]在整個頻率范圍內均勻分布。其可以用下列表達式表示:
ST=4kTR
  其中
  R – 電阻器的電阻[W],T – 電阻器溫度[K],k = 1.3807′10-23 J/K – 玻爾茲曼(Boltzmann)常數。
  另一方面,電流噪聲與電阻材料的類型具有直接關系。通過實驗發現,電流噪聲的電壓譜密度SE與電阻器上的直流電壓降U的平方成正比,與頻率f成反比:
SE=CU/f
 
  C是取決于電阻元件材料及其制造工藝的常數。
  圖1顯示了電阻器中總噪聲電壓的譜密度S。
 
 
圖1.電阻器中總噪聲電壓的譜密度
  電阻器中電流噪聲等級通常用單位μV/V或者分貝(按照噪聲指數[NI]dB)表示
 
 
  其中,u是十進位帶寬上的均方根噪聲電壓,而U是電阻器上的直流電壓降。u和U的測量單位均是伏特。
  噪聲指數越低,電阻器中的電流噪聲等級也越低。
  下面圖表顯示了使用不同技術制造的電阻器的噪聲指數。
 
 
圖2.商用電阻器的平均噪聲指數
  如圖表所示,基于復合電阻材料(如碳和厚膜)的電阻器的電流噪聲等級最高。為什么呢?這是由于這些電阻元件材料的顯著非均質性造成的。這些復合材料中的導電路徑是由隔離矩陣中相互接觸的導電粒子形成的。當電流流經這些“接觸位置”中的不穩定接觸點時,它們便產生噪聲。
  薄膜電阻具有相當強的均質結構,因此噪聲較低。薄膜是通過在陶瓷基板上蒸發或者噴濺電阻材料(例如:氮化鉭(TaN)、硅鉻(SiCr)和鎳鉻(NiCr))沉積形成的。根據電阻值的不同,該層的厚度范圍一般為10到500埃。薄膜中的噪聲是由夾雜、表面缺陷和不均勻的沉積(當膜較薄時,更加顯著)造成的。這就是電阻膜越厚,電阻值越低,從而噪聲等級越低的原因所在。
  在具有大金屬電阻元件的電阻器中,可以觀測到最低的噪聲等級:箔電阻和繞線電阻。雖然線是由與箔材料類似的金屬合金制成,但是電阻元件細線和比較粗的電阻器接線端子接合點處可能產生額外的噪聲。在箔電阻器中,接線端子和電阻元件均為同一塊箔的某些部分,因此避免了這個問題。然而,繞線電阻器的主要缺陷是其電感。電感可導致對信號峰值進行斬波以及嚴重依賴信號頻率上的電阻器阻抗。此外,必須對下列與繞線電阻器的電抗相關的影響格外關注:
·  音頻放大器可能在5 MHz至50 MHz以上自振蕩,影響音頻質量[3, p.22-6]。
·   等效串聯電感(ESL)會引起大相移,影響音頻音調[3, p.22-6]。
·   線圈可能起到拾取電磁干擾(EMI)的作用,超過通常電流噪聲等級[2, p.167]。
  箔電阻器避免了這些問題,因為它們是通過化學蝕刻扁平的大金屬箔構成的,因此,在相鄰載流路徑中的電流流動方向相反,消除了這些路徑中的寄生電感。而且,路徑到路徑的電容為串聯,具有將電阻器的寄生電容降至最小的效果。這些低電感/電容電阻器的特點是不可測量的峰值到峰值的信號失真.
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