|
——恰到好处的电阻设计技术能够极大地降低音频噪声
深谙声音重放品质的专业人士通常都有一只“训练有素的耳朵”，他们通过感知来检测插入原始信号中的噪声和失真。前置放大器、音频放大器或声音重放系统的音量控制电阻常常引入这些令人不悦的噪声。随着人们对声音重放品质要求的日益提高，恰当地选择这些音频系统的电路元件，以最大限度地减少噪声和可能危及成品保真度的信号失真就至关重要。
噪声源
电阻内部的电子运动造成它产生音频噪声，该噪声形成闲杂的AC信号并叠加在原来的DC信号上。这种噪声分为两类：热噪声和电流噪声。
在热噪声情况下，电阻内部电子的随机运动引起闲杂AC信号。热扰动生成的电压有一个最小电压值，它会被放大且一直存在于背景噪声之中。
确定热噪声大小的方程式为：
E2=4kTR (f2-f1)
其中 k波耳兹曼常数， T 是绝对温度(开氏温标)， R是导体的电阻，(f2-f1)是带宽。
电流噪声由跟电流相关的电子聚散所引起。电流噪声的大小很大程度上取决于电阻所采用的电流噪声的大小单位是μV/V，噪声指数的单位是分贝，μV/V到dB的转换等式为：
dB = 20 x log 噪声[μV]/DC电压 [V])
例如, 0 dB等于1.0 μV/V, 而15 dB等于 5.6 μV/V。
为了确保高保真声音重放，音频系统、特别是前置放大器、放大器和音量控制的设计工程师可以采用最新的电阻技术，包括其构架和净化信号的效力。
电阻技术的发展
碳化合物电阻
碳化合物电阻在二次世界大战之前是收音机和电视工业的中流砥柱。其结构特征是碳粒子以化学键(Diallyl phtalate)那样的串联顺序被树脂粘合剂连接起来，沿着导电路径碳粒子一个挨着一个彼此接触，电流就是从一个碳粒子到另一个碳粒子传播的。
与下面介绍的厚膜电阻采用的玻璃粘合剂不同，由于电压应变、潮气入侵、机械应变和热应变等原因，碳化合物电阻的树脂粘合剂常遭受与碳粒子相关的机械运动的影响。
这些应变会造成接触点传导区域的阻值发生变化甚至开路。电流从一条路径到另一条路径之间反弹可由音频输出清晰地听到，它不仅仅对电流噪声有贡献，而且还是“爆米花噪声”的成因。碳化合物电阻的噪声级是-12 dB到 +6 dB。
碳化合物电阻从上世纪60年代起被分立金属膜电阻取代，它销声匿迹的原因不是因为噪声级别高，而是因为相对于金属膜电阻持续走低的价格而言，碳化合物电阻的价格在持续升高。
厚膜电阻
由于厚膜电阻网络和分立电阻的噪声级范围是-18 dB到-10 dB，因而大于专业声音记录或重放应用中的可接受噪声级。电阻结构依然与它产生的噪声有密切关系。厚膜电阻的阻抗路径由添加钌氧化物的玻璃粉形成的“墨水”印制在陶瓷基板上而制成。导电路径就是由玻璃粉粘合剂中彼此接触的氧化物粒子构成的。这些接触区域就是电子聚散的地方，因而是厚膜电阻中噪声的发源地。
金属膜电阻
金属膜技术的出现极大地减少了电阻的尺寸和噪声。通过向陶瓷基板上蒸发或喷射一层镍铬材料可制成金属膜电阻。膜的厚度从10埃(一亿分之一厘米)到500埃，且与电阻值有关。
该膜越厚电阻越小，所插入的噪声就越小；镍铬膜越薄电阻越大，噪声就越大，因为对电流的阻碍、表面不完整、沉积不一致都会对所产生的噪声有重要影响。
人们采用磨擦或激光技术来制成电阻栅格，这首先会造成参差不齐的边沿，其次会在卷曲的边沿引入涡流路径。两者都是噪声源，这就是金属膜电阻的噪声范围有-32 dB到16 dB的原因。
线绕电阻
线绕电阻由合金材料制成，与下面介绍的金属薄片电阻类似。电阻两端的抽头将电阻的细线与外部粗导线连接起来，它是唯一的插入噪声源。典型的噪声级是-38 dB，因此，线绕电阻的主要缺陷与噪声无关。人们严重关注的是其感抗具有削峰作用，妨碍较高频率信号的二次和三次谐波通过。
金属薄片电阻
由金属或金属合金制成的电阻显示了最低的组合噪声级别。以Vishay 互连技术公司专有的大金属薄片(Bulk Metal Foil)电阻为例，它利用了合金材料电阻的优势，为音频应用提供了低噪声解决方案。在合金中，起传导作用的金属晶体之间的晶粒间边界呈阻性，这些边界很长，因而掩蔽了所有本区域的失真，使这些元件呈现出最佳的信噪比。
人们将图形蚀刻在金属上就能制成金属薄片电阻。这种平面几何图形及电阻的两轴设计容许电流路径并行排列，因而能够自我消除感抗。路径间的电容是串联的，最大限度地减少了集总内部电容。最后，这些低感抗和低电容的电阻具有最低的峰峰值失真，且没有插入噪声。
所有这些特性组合起来使金属薄片电阻成为抗噪声设计的必然选择。
静音
图1、2和3所示的波形分别表示纯净的信号、因使用商用元件受到影响的信号以及采用金属薄片制成的、免噪声的电阻取代商用元件之后显示的信号。
图1：用于评估的纯净信号；输入电压(y轴)与时间(x轴)的关系。
图2：商用元件对信号的影响；输出电压(y轴)与时间(x轴)的关系。
图3：采用金属薄片电阻的信号；输出电压(y轴)与时间(x轴)的关系。
眼见为实，耳听为真，即使未经训练的人一样能够感受到巨大的差异。
免噪声电阻主要是为高端声音重放行业开发的，在那里对音频信号的纯净度要求极为苛刻。
为信号路径选择合适的电阻是最大限度地减少噪声并满足目前声音品质标准要求的关键。
目前，高端音频市场还缺乏测量重放保真度的仪器，音响设备采用金属薄片电阻之后，训练有素和经验丰富的音频工程师的耳朵就能够识别差异。除了改善音质，金属薄片电阻能提高分辨率并使前置放大器和后级放大器的输出更干净。一个电阻就能获得听得见的差异。
Yuval Hernik
Vishay互连技术公司 | 