在高端音頻設(shè)備中,，慎重地選擇電阻器是避免或?qū)⑿盘柭窂街械脑肼暫褪д娼抵磷畹偷淖罴逊椒ㄖ?。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(jìn)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(rèn)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(dá)式表示[1, p.76]：

　　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[2, p.164]：

　　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(jìn)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(dāng)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(dāng)強(qiáng)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(dāng)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(xì)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(jìn)行斬波以及嚴(yán)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[3, p.22-6],。
• 　　等效串聯(lián)電感(ESL)會引起大相移,，影響音頻音調(diào)[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(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(fù)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[4],。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)[5]。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(fù)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(fù)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[5]

　　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(tuán)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,。

　　(www.foilresistors.com)

　　諸位作者對約瑟夫·施瓦茨就編寫本文給予的寶貴支持表示感謝,。

　　文獻(xiàn)

　　1.Resistor Theory and Technology/ By Felix Zandman, Paul-Rene Simon, Joseph Szwarc.  SciTech Publishing, 2002, 308 p.

　　2.Vasilescu Gabriel, Electronic Noise and Interfering Signals: Principles and Applications.- Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005. 709 p.

　　3.Robust Electronic Design Reference Book. By Barnes, John R. Volume 1; 2004.

　　4.Analog Devices, Inc. Avoiding passive components pitfalls. Application note AN-348.

　　5.J. Szwarc. Current Sensing with a precision of a few parts per million within a fraction of a second. Proc. of IEEE COMCAS 2009.