如何抑制電阻器中的噪聲干擾

在高端音頻設(shè)備中，慎重地選擇電阻器是避免或?qū)?a target="_blank">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(xiàn)有電阻器技術(shù)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(chǎn)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(fā)燒友均認同的唯一檢測方法就是：比較在實際音頻系統(tǒng)中使用不同電阻器技術(shù)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(yīng)用密切相關(guān)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(guān)。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(nèi)均勻分布。其可以用下列表達式表示：

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(shù)。

另一方面，電流噪聲與電阻材料的類型具有直接關(guān)系。通過實驗發(fā)現(xiàn)，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：

C是取決于電阻元件材料及其制造工藝的常數(shù)。

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(shù)［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(shù)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(shù)制造的電阻器的噪聲指數(shù)。

圖2.商用電阻器的平均噪聲指數(shù)

如圖表所示，基于復(fù)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(zhì)性造成的。這些復(fù)合材料中的導(dǎo)電路徑是由隔離矩陣中相互接觸的導(dǎo)電粒子形成的。當電流流經(jīng)這些“接觸位置”中的不穩(wěn)定接觸點時，它們便產(chǎn)生噪聲。

薄膜電阻具有相當強的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此噪聲較低。薄膜是通過在陶瓷基板上蒸發(fā)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(jù)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(chǎn)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(dǎo)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(guān)的影響格外關(guān)注：

音頻放大器可能在5 MHz至50 MHz以上自振蕩，影響音頻質(zhì)量。

等效串聯(lián)電感（ESL）會引起大相移，影響音頻音調(diào)。

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。

箔電阻器避免了這些問題，因為它們是通過化學(xué)蝕刻扁平的大金屬箔構(gòu)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(lián)，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。

在高端音頻應(yīng)用中的箔電阻器

高端模擬音頻應(yīng)用要求固有噪聲低、放大線性度高和動態(tài)失真極小。典型的音頻放大器由電壓前置放大器（預(yù)放大）和功率放大器（最終驅(qū)動）組成。電壓前置放大器處理低電平信號。這就是固有噪聲等級至關(guān)重要的原因。電阻器是放大器中主要噪聲源之一。

對音頻功率放大器的主要要求是放大線性度高、動態(tài)失真極小。箔電阻器的特點是電阻元件（由大金屬制成）的固有非線性度非常低。繞線電阻器和一些金屬膜電阻器具有類似的非線性度特點，但是，在現(xiàn)實世界中，電阻器的固有線性度不足以確保放大線性度。

音頻功率放大器通常基于與運算放大器類似的電路設(shè)計（圖3）。它的增益

取決于負反饋分壓器中的R2/R1電阻比率。電阻器R1和R2分別消耗功率

和

所以

通常k 》 2，故R2》 R1。這表明，在電阻器R2中的功耗和溫升總會超過在電阻器R1中的功耗和溫升。即使兩個電阻器均具有相同的TCR（理想情況），該放大器的增益也將變化，這是因為R2/R1比率將取決于輸出電壓VO。因而，聲音信號的典型尖峰和脈沖可能造成放大器增益的瞬態(tài)變化。其結(jié)果是輸入電壓VI和輸出電壓VO之間的非線性依賴（圖4）。這個現(xiàn)象稱作溫度引起的放大器的非線性。其原因是電阻器的自熱，其定量的特點是電阻功率系數(shù)（PCR）。減小電阻功率系數(shù)（PCR）的方法是選擇具有最小絕對TCR值的R1和R2電阻器。

圖3

圖4

例如：將一個0.3 W的負載同時施加到采用不同技術(shù)制造的三個1206尺寸的片式電阻器：

TCR約為+ 42ppm/°C的厚膜片式電阻器

TCR約為+ 4 ppm/°C的薄膜片式電阻器

TCR約為-0.1 ppm/°C的、基于Z箔技術(shù)的大金屬箔。

結(jié)果如下面的圖表中所示。相關(guān)電阻變化的穩(wěn)定值如下所述：

厚膜片式電阻器：+2000 ppm；

薄膜片式電阻器：-140 ppm；

大金屬Z箔：+5 ppm。

圖5.在0.3-W功率負載條件下測量逾9秒鐘，自熱電阻（電阻功率系數(shù)）對三種類型電阻器的影響

在放大線性度高和動態(tài)失真極小的要求下，對于音頻放大器而言，大金屬箔電阻器是較好的選擇。威世精密集團特別推薦VAR、Z201、S102C、Z203、VSHZ、VSMP系列（0603-2018），VFCP系列和SMRXDZ系列電阻器，實現(xiàn)音頻應(yīng)用中的無噪聲性能。
來源；電子工程網(wǎng)