总谐波失真

电容对音频信号总谐波失真和噪声的影响研究

吴晓光

【摘要】总谐波失真和噪声失真对音频信号质量评估起着举足轻重的作用.首先通

过建立基本电路模型理论分析电容对音频信号失真的影响,然后利用仿真工具及实

际测试对此理论分析进行验证.结果表明,电容的容值、电压稳定性对音频信号的总

谐波失真和噪声有着明显的影响.

【期刊名称】《电声技术》

【年(卷),期】2015(039)005

【总页数】6页(P45-49,54)

【关键词】电容;失真;噪声;音频信号

【作者】吴晓光

【作者单位】维沃移动通信有限公司,广东东莞523860

【正文语种】中文

【中图分类】TN713.4

随着生活水平的不断提高，物质基础相对稳定，越来越多的人开始追求精神层次的

享受及升华，这其中，聆听音乐成为大多数人的不二选择，而要达到一个好的听觉

感受，一套HiFi(High－Fidelity高保真)系统必不可少，在评价Hi－Fi系统是否

足够保真时，总谐波失真+噪声(THD+N，TotalHarmonicDistortion+Noi)则

是其中的最重要的因素之一，同时，影响THD+N的因素众多，本文将重点论述

电容对THD+N的影响。

图1显示了一个非理想电容的等效模型。电阻Rp代表绝缘电阻或泄漏，与标称电

容C并联。第二个电阻Rs(ESR，等效串联电阻)与标称电容串联，代表引脚和电

容器极板的电阻。电感Ls(ESL，等效串联电感)代表引脚和电容板的电感。最后，

电阻Rda和电容Cda一起构成电介质吸收现象的简化模型。无论是快速电路还是

慢速电路，电介质吸收现象均可能会破坏其动态性能。

电容的容值受直流、交流、温度影响，会发生一定改变，改变的大小与电容材质、

工艺等相关，图2～图5是电容C0G与X5R的对比曲线图，从图中可以看出，

C0G比X5R更稳定。

电容在音频电路中一般会放在两个放置:电源、信号通路。其中信号通路可以是串

联在通路上，也可以是并联在通路上，其影响的结果也有一定差异。

4．1电源上的电容

在此位置，电容主要作为电源的滤波、去耦使用。电容的ESR与容值代表了对电

源输出纹波电压的抑制能力。在中小输出功率的开关电源应用中，尽管开关频率有

所不同，但是开关电源的输出整流滤波电容器的作用基本相同，主要是通过利用滤

波电容的低阻抗将交流电流分量的绝大部分电流分流，使输出电流没有或仅有非常

小的交流电流分量。这里要求滤波电容应具有很好的阻抗频率特性，使用中应选用

低ESR的电容器，否则电源的输出纹波电压将过高，过高的电源纹波，作用在模

拟信号上，使得噪声提高，进而增大THD+N值。

现今的数字电路，信号处理速度越来越快，而提高速度的同时，负载电流也越来越

大。由于电源到负载走线寄生参数(如图5(a)的r1，图5(b)为5(a)图的戴维南等效

电路)的影响，负载电流变化时，寄生参数会分得的电压也会发生变化，从而导致

负载端得到的电压发生变化，通常减小寄生参数r1可以解决，但往往PCB上走好用护肤品 线

较长，此参数不能有效减小，而为了减小负载端看到的电源内阻，常用方法是在负

载端并联旁路电容［1］，从而电源系统等效为图5(b)所示，等效电阻rs上的变

化电压V［2］满足

式中:I为环路电流变化量。

若要减小负载电压变化，只要减小rs即可，所以，这里的旁路电容一般要求ESR

越小越好，以降低输出电压纹波。

另外，电容并联在系统中，负载变化时，将从电容上直接抽取瞬态电流，而抽取的

电流I满足

式中:V为电容上电压。

只要电容容值足够大即可在很小的电压变化情况下抽取到足够多的电流。

为验证以上两点，分别进行如下实验。如图6，电源(内阻1)输出通过C1旁路，

串联电阻R3为电容的ESR，负载R2，并通过压控开关控制负载的联通与断开模

拟负载抽取电流的变化，开关频率80kHz。

旁路电容选用的容值相同但ESR不同，在25℃，80kHz时分别为30m、10烤箱烤什么 0

m、300休养生息 m，容量都为100uF，仿真输出端Vout处的波形图7～图9所示。

旁路电容选择的ESR相同，而容值不同时，在25℃，80kHz时分别为100uF，

10uF，ESR都为100m，仿真输出端Vout处的波形图10～图11所示。

式中:x为输出端噪声。可得x=35Vrms，即，会在器件输出端产生35Vrms

的噪声。当然实际上峰峰值100mVpp的纹波在音频电路上是不被允许的，这里

仅作为举例。

4．2信号上的电容

信号线上电容的主要作用是对信号进行滤波。电容接入电路的方式不同，滤除的成

分也有区别，最简单的是高通滤波(串联接入)和低通滤波(并联接入)。

4．2．1高通滤波

例如，图12为一耳机功放输入电路图。

功放端输入信号记为Vo，前端给出的信号记为Vin，Vo可以简单的看做是

Cin(容抗记为Xc)与功放输入阻抗Rin分压所得，因此

可见，电容容值越大，ESR越小，负载端的电压纹波越小。

而电源上的纹波直接影响输出模拟信号的噪声，任何具有模拟输入或输出的器件对

于其模拟供电的纹波都是有要求的，而用来量化这个纹波要求的指标是PSRR(电

源纹波抑制比)，PSRR数值越大，输出性能受电源纹波影响越小。

以1kHz正弦波信号为例，若在5V模拟供电上叠加一个峰峰值为100mVpp的

纹波(有效值为第二英语怎么读 100mVpp/2．828=35mVrms)，那么在其输出端的影响满足

式中:f为工作频率;C为容值。

以其中右声道输入为合伙纠纷 例，电路可以简化为图13所示。

在音频范围(20Hz～20kHz)内，Xc是一个随着频焖面做法 率变化而变化的值，因此，在

不同频率时，Vo与Vin的比值不是线性的，这种非线性，造成了功放输入端信号

Vo与前端的输出信号Vin之间存在差异(失真)。

当式(5)中的f不变，而C值足够大时，Xc会变得非常小，对式(4)的影响也会变小，

因此，在音频范围内，只要有足够大的电容，失真可以很低。当式(5)中的C值不

变，而f值足够大时，Xc也会变得非常小，对式(4)的影响也会变小，因此，在电

容值固定时，频率高时要比频率低时的失真小。

电容或频率无穷大时，Xc无穷小，无限接近于0，而Xc=0时，电容直接短路。

可以直接用无串联电容(短路)模拟电容无穷大的情况。

4．2．2低通滤波

图14为耳机功放输出端电路简图。

以其中右声道为例，RL为耳机负载，电路可以简化为图15。

功放输出端信号记为Vin，负载端获得的信号记为Vo，Vo可以简单的看成RL，

CL(容抗记为Xc)并联后的阻抗(Xc//RL)与功放的输出阻抗(Rout)对功放输出电压

Vin分压的结果。其电压

式中:f为工作频率;C为容值。

Xc与RL并联后的阻抗取决于其中值较小的一个，因此，当Xc越大，对Xc//RL

的结果影响越小。

当式(7)中的f不变，而C值足够小时，Xc会变得非常大，对式(6)的影响也会变小，

因此，在音频范围内，只要有足够小的电容，失真可以很低。当式(7)中的C值不

变，而f值足够小时，Xc也会变得非常大，对式(6)的影响也会变小，因此，在电

容值固定时，频率低时要比频率高时的失真小。

当频率很低时，Xc值本身就已经很大了，所以并联电容对有趣的童话故事 高频失真影响较大，而

对低频信号影响甚微，可通过减小电容值的方法来改善失真。

以上为从宏观上进行论述，而从微观上，输入交流信号，每一时刻，电容上的电压

值都与之前时刻不相同，加在电容上的电压发生变化时，电容值也会发生变化(电

容的交直流电压特性)。因此，Xc在交流信号变化过程中也是非线性的，原始波形

如果是一条平滑曲线(见图16(a))，那么输出波形就会因为容抗的非线性出现微小

的波动，亦即失真，如图16(b)所示。

实验使用设备:vivoX5max手机，AudioPrecisionAPx555，如图17所示。

实验方法:更换通路电容，对更换前后进行对比测试，得出THD+N曲线。

(1)高通滤波，将通路串联电容由1uF改为2．2uF、短路后测得曲线如图18所

示。

(2)低通滤波，将并联电容容量由33nF改为10nF后，如图19所示。

将并联电容更换为稳定性更高的电容，如C0G/NP0，失真会进一步降低。如图

20所示，为将10nF电容由X7R更改为C0G后的对比曲线。

通过以上理论分析、仿真及实验验证，可见电容对音频信号的THD+N影响较大，

具体有:

(1)电源上的电容，其容值、ESR等影响电源纹波，进而影响THD+N中“N”的

部分，容值越大，ESR越小，输出电源纹波越小;

(2)串联在信号通路上的电容健康谚语 ，影响低频THD+N中“THD”的部分，容值越大，

THD越小;

(3)并联在信号通路上的电容，影响高频THD+N中“THD”的部分，容值越小，

THD越小;

(4)电容的容抗稳定性影响整个频带内的THD+N中“THD”的部分，容抗越稳定，

THD越小。

在应用时，参照以上结论，选择较大容值的串联电容、较小容值的并联电容，并且

容抗稳定性(温度特性、交直流电压特性)好的器件。

【相关文献】

［1］杨柏禄，关晴予，陈永真．电解电容器等效串联电阻特性及其对应用的影响［J］．电源世

界，2008(10):66－69．

［1］于争．电源完整性设计详解［EB/OL］．［2009－04－

10］．www．sig00摩羯座明星 7．com/．