最近在某些日本的電子類刊物上,我們發現了音響技術的另一個話題,就是談電容器對「音質」的影響。記得在若干時候以前,他們大事吹噓導線對「音質」之重要,由是乎,一些售價極昂的、聲稱能夠改善音質的導線相繼出籠了。而現在則已可以在日本刊物的廣告上看到一些售價非比尋常的電容器廣告。那些折合新台幣至少在千元上下的電容器,究竟能使音質改善多少?相信是讀者所急欲知道的事情。不幸,這類問題看要從哪一方面來觀察或解釋,在編者的立場,並不希望太過於強調可能是既存的事實,正如同雖然我們也承認把鼻子墊高一些,可能確實會更「美麗」一些,但我們絕不希望強調「鼻子」,畢竟除了鼻樑高挺之外,還有更多使人「悅之」的因素。
接著我們可能選載一兩篇日本方面的論述,讀者無必訝異。──編者
時常我們可以聽到有關音頻線路上使用的被動元件(例如電容器)所產生的失真及其他的非線性效應,可是卻罕能從一些著作中找到這一類試圖定量化地描述,或引述有關電容器方面的問題,特別是針對音頻方面,然後,所產生的失真隨著電容器種類的不同,有著相當大的差異;在某些例子中,這種失真很容易就測得出來。很多例子裡,因電容器而產生明顯的缺點,習以為常地就成了這個設計中的「阿奇里斯之腳跟」(Achilles' heel, Achilles 是荷馬史詩 Illiad 中之希臘英雄,傳說除踵部外,其全身刀槍不入──譯註),何以在這方面並沒有很多論著,倒是一個值得令人玩味的問題。如果這種說法不真,那麼,為何又有那麼多的音響迷在減少僅在品質上改良的電容器之使用量呢?若本文能為讀者們所重視,此中種種問題或許將會更為明朗化。
雖然過去並沒有關於這方面問題探討的出版物,仍有二篇專論值得注意,因為本文的靈感係得自這兩篇專論。在[1](參閱文末參考書目編號──譯註)文中,Dave Hadaway 概略地將不同種類電容器之相關的性質予以分級;爾後 John Curl 在[2]文中,對二類電容器間做了某些度量。Dick Marsh 在幾期 Audio Amateur 通訊[3、4、5]內,特別提醒注意某些型式的電容器。
本文中,我們希望討論的範圍涵蓋電容器的基本特性(也就是包括阻抗及失真的測試),以及有助於更佳音質的選擇標準。我們打算從一些簡單,但其中有詐的失真實驗著手。關於電容器方面的一些重要名詞之扼要闡釋放在後面的附錄:「電容器的基本認識」內。
電容器失真的信號路徑測試
不易對電容的失真問題作深入探討的原因之一,是無法直接測試他們在信號路徑上典型的特性。隨後將討論的有關鉭質電容之一些 THD 測試例子裡,這點很清楚的看得出來。那些 THD 測試結果顯示如果「選擇得當」的話,很容易就使人相信鉭質電容能令人滿意。雖說如此,仍缺乏聆聽方面標準;且在採用其他方法測試時,並沒有很強的電氣上關係──甚至在 THD 測試裡可以表現得幾近乎無失真方式的使用亦然。
二級串聯的 THD 測試裡,係採用鉭質及陶瓷二種不同型式的電容器;在不同型式電容器上加上相同的變化所產生類似的結果,使這種測試似乎很具代表性,在 Curl 的[2]文中也提及到這種結果。
鉭質電容器的測試
在鉭質電容器測試中,先要有如圖一中簡單高通濾波器型線路。一般所採用的線路如圖一A;圖一B 則為不同測試情況下電容之連接法。3Vrms 電壓產生器及電錶一具 THD 振盪/分析複合儀上,這種測試一般目的是檢查處在交流信號的正負極性情況下,具有極性的鉭質電容之失真感受性(the distortion sensitivity)。
如同圖一B 所示的各種連接方式,具有極性之電容也具有不同的連接方式。圖一A 所示的電路僅在簡單的不含直流極化偏壓之純交流電路裡,所採用 A 狀況下(圖一B 中)之電容。
這種方式下使用時,鉭質電容將產生一可覺察到的失真;也就是在這種信號狀況下,電容器二側會產生一明顯的壓降。換句話說,亦即與負載(此處為 680 歐姆)相較之下,電容的電抗性較明顯了。
在圖一B 的 A 狀況下,所使用的一只 6.8uF 電容,約在 35 Hz 附近,它的電抗就等於 680 歐姆。因此,我們把這個頻率叫做轉折頻率(the corner frequency),記做 fc。隨後我們將曉得,這是一把了解不同方式的失真狀態之鑰。
剩餘的連接方式也可以依法泡製,以獲得有關的 THD 資料,結果如圖二(圖二中之 A、B、......E、F 結果分別為圖一B 中之 A、B、......E、F 情況之測試值──譯註)。A 狀況下,可看出在十倍頻率以上的地方,失真非常低;但接近 fc 時失真增加,在 fc 以下,有一很大的交流電壓存在電容器上,使失真接近百分之一的電平程度。
在這些資料中,似乎有一點很值得注意,就是此種情況下使用的具有極性之鉭質電容,就如同被一只不完全的二極體短路一般,所產生的失真從圖三可看得出來,相當具規律性。因為此裝置之交流特性的不對稱,意味著線路本身的不對稱性愈小,則失真的產生也愈少。John Curl 曾經提到過[2],類似的電容簡單地並聯,像 B 例中,可稍微減少一點失真。比較 A、B 二種狀況下,在 Fc 處所減少的失真大約呈 2:3 之比(圖二)。
C 狀況的背對背串聯之電容能夠降低的失真更為多一點,如果這二個電容能發生互補特性的話。圖三中也顯示 C 狀況之失真情形。總之,不同狀況的連接須配合所採用的單元。因此,和 B 之連接法不同,像 C 中所示的串聯連接會增加淨等效串聯電阻(ESR),隨後我們將討論這並不受歡迎的東西。
如果這種串接方式有效,那麼我們會接著問,是否在接點處加上具有極性的偏壓有所裨益?答案是肯定的,如同 D、E 及 F 情況隨著偏壓的加深,效果更佳。甚至只要有非常小的偏壓就非常有效,像 D 之情況,在 fc 時之 THD 僅 0.01%。此時的偏壓電平為五伏特,也就是比信號擺動的峯值稍大一點,D 狀況之失真測試參見圖三。
這種串接的測試意味著,當交流信號「越過」一個有極性的電容時,得小心控制,以使失真最小。如果你把一只簡單的電容採無直流偏壓連接那就表示在減低雜音方面可以降低約十倍。換句話說,若使用的交流電容經計算之 fc 為 10Hz,使其在 1Hz 處轉折(corner),可將這部分所產生的失真減至最小。雖然如此,事情尚未終了,好戲還在後頭呢!
陶瓷電容之測試
第二種串接的測試,也就是我們接下來要討論的,係由一般的圓形陶瓷電容器所產生的失真,測試結果如圖四,以 THD 對頻率表示。所使用的頭一個線路是一個簡單的低通濾波器,此時電容 C 就像一支分路一般。線路中 R=1K,C=0.1uF/100V。
正如圖四的資料所示,在轉折頻率(本例約為 1.800Hz)之下不遠處,意料中的失真產生了。經過修正後的這項資料也顯示,100% THD 設定電平也隨著低通濾波呈現起始(roll-off)的效應。雖然更高次的諧波有減少的趨勢,可是從這份資料看來仍不樂觀。IM 測試或許能更清楚地看出這個低通濾波器有多糟。圖五係失真照片,注意圖五A 的三次諧波;將線路中的電容用塑料電容取代之,顯然並無很明顯的失真(見圖五B)。
將同樣的陶瓷電容放到高通濾波器裡,諧波的起始效應似乎略佔上風。這麼使用時,低頻跨過電容的電壓較高,因此非線性就表現在高的高次諧波上,這種高次諧波很迅速的就能通過濾波器。
高通濾波器測試的結果顯示,低頻處有大量的失真存在,且電壓也是最高的,這二種測試中共有的雜音源我們尚無法解釋。有件事卻很清晰,很簡單的事實──我們無法「逃避」產生在陶瓷電容上的失真問題。我們總覺得,只要很簡單避免靠近音頻信號的通路,或者只要避免和信號在一起就行了。例如,有些聆聽實驗中,加上個額外的旁路電容即可產生可聽得見的失真,必須拆下,恢復原來的耦合。
上面種種事實暗示著:無論如何,電容不單單是個電容。當然,此處我們只討論二種型式的電容,我們也應介紹一些較令人滿意的型式之電容,也會讓我們更清楚電容器是什麼,它和音頻有啥關聯。
電容行為資料的闡釋
在說明資料以前,我們必須充分了解電容在音頻上應用的標準。或許讀者可能看過像附錄的圖B4 中假設的阻抗/頻率曲線。如果我們考慮到真實資料的曲線,則我們甚易自混珠之魚目中挑出珠來,同時也讓我們曉得何種可用於音頻方面。
真正鉭質電容的典型資料如圖六所示。注意這資料且回味一下真實電容的等效電路(圖 B2),我們曉得在直流或低頻情況下,Rs 和 L 可忽略不計,可視為 C 和 Rp 的複合體。當頻率增加時,特別在數千 Hz 以上時,Rs 和 L 的作用也跟著加強。
此處的特例(其中有一個是品質極佳的鉭質級電容),很容易就可發覺 Xc 並不隨著頻率的增高而和理想電容之 -6dB/每八度音程特性一致。
隨著頻率的上升,Xc 趨向減少,XL 值卻隨容量而增加。這就意味著計算阻抗 Z 的式子裡(Xc-XL)² 這項將漸減,直到某個頻率為止。(Xc-XL)² 這項等於零,此刻阻抗即為純電阻性,或者說 Z=Rs;這就是所謂的串聯諧振頻率,一般的鉭質或鋁質電解電容多在 10KHz 至 1MHz 之間。因此,很顯然,如果一個電容使用在比諧振點還高的頻率上,那麼對這個線路而言,就不能再視為一個電容了。
雖然到目前為止,此處所討論的僅及於鉭質電解電容,但這種非理想的阻抗對頻率的性質事實上對所有的電容器都具有幾分真實性。品質較好的絕緣介質之 Rs 和 L 較低,也更容易控制;因這些寄生的參數較低,使得逸散因數(D F)也較低。如果我們所得到的資料係自其他電介質時,這點將更為明顯。
鋁質電解電容也有類似寬度的諧振頻率,此處 Z=Rs(等效串聯電阻)。圖七所示為多種不同的鋁質電解電容的情況。
這些資料中值得注意的是,諧振頻率的典型值在 10 至 100KHz 間。注意在這些鋁質電容裡,隨著有效的容量增加,阻抗的絕對質愈低。因此,許多設計用來減少大漣波電流的電解電容都具有非常低的 Rs 值,這點很重要。
如果這些資料能小心分析,可以得到極多有用的地方。一般言之,對二個容量相似的電容而言,耐壓較高的那一個電容之 Rs 就比較低(D F 亦然,如果也如此測試的話)。從 A 和 B 之間或者 F 和 G 之間做個比較即可知道,鉭質電容也有這種趨勢(圖六中的特例亦然)。
或許有人會針對這點而問,用在音頻上的電容,若有相當高的 Rs(或 D F),有何缺點?這可以換個觀點,用圖七來說明。
以電容 A 極 B 為例,以 4 式解 C 可得不同頻率下的有效容量。圖八係是項結果所繪而成,可清楚看出,Rs 較高的 A 電容隨著頻率在容量上很明顯地有著差異。B 電容的情況較 A 電容的情況略為好些,仍有容量改變的情況存在。
關於電容容量隨頻率的改變對音頻信號之完整性所產生的失真是無法想像,特別在相位方面。
如果我們能想像音樂中種種的複合頻率通過一個電容(非真實的電容)時,而此刻的 Z 值同時亦隨著音樂中複合的頻率之改變而變動,因此微妙的基頻/諧波間相位及振幅之關係,很容易便察覺有紊亂情形。不僅自容量改變的觀點看是如此,從具有電感性方面看亦如是。使用這樣高 D F(或者L 或 Rs)交連電容,音色會變得模糊,樂器因諧波所產生的音色也無法再生,等於隔著一層面紗看女孩子一樣。加上回授後情形更複雜,因為我們使用已經被「污染」的信號做錯誤的修正。例如,如果我們考慮擴音機的轉換特性,此處增益等於 Zf÷Zin,很輕易的就看得出,隨頻率改變的 Z 和理想狀況之差異間的失真關係。
我們再看看塑料薄膜電容的情形,在阻抗對頻率方面的差異上,已有相當的改良。這是因為塑料薄膜介質,像聚苯乙烯(Polystyrene)、聚丙烯(Polypropylene)、多元碳酸酯(Polycarbonate)、多元酯(Polyester),具有更低的電介質損失。因此 D F 和 Rs 亦降低,對頻率和溫度之穩定係數也相形提高。一些塑料薄膜型電容的阻抗對頻率特性,如圖九所示。一般說來,值得注意的是,它們多半具有非常低的阻抗(Rs 很低);在共振點附近呈很陡峭地下降。圖形上的點指出電阻性的損失非常低,許多例子均在 10 毫歐姆以下。
塑料薄膜電容在串聯諧振頻率上也有電感性,係起因於繞捲和(或)引腳上的寄生電感。可是這種電感性,可藉著適當的繞捲和尖端的技術來降低,二者都能製造出在更高頻率上更為有用的電容。因此,在這方面去發掘特殊的無感繞捲和趨向箔接引腳(foilwelded-lead)元件是很值得的。
電容阻抗的測試
由前面所提到關於選擇合適的電容方面,大部分的「音響實踐迷」必然要知道如何測量不同電容間的特性參數。因為我們很少有人不受所需龐大費用所困擾(因此之故,所以許多人無法測試 Rs 或 D F),所以有必要設計一種裝置來測試這些參數。我們發現有一種非常簡便,如圖十所示,圖八中所有的資料就是這樣得到的。
基本上,這裡用來測量阻抗(Z)是採用一個分壓方式,利用一個正弦波產生器和電壓計。從這項阻抗資料裡,C、Rs、L 及 D F 都能獲得。表一和那些註解即為測量過程的細節部分,原來是利用一具電壓計或者一具振盪分析儀。然後注意個個偏壓電平、極性等等。同時,在電壓計上要使用隔離的接腳直接和電容接腳末端相連接,以減少 Rs 值誤差。
你或許有興趣知道,關於這簡單的裝置對電容分級的能力如何,特別是對電解質電容。例如,你可以利用它很快的挑出品質很差的電容,像圖七的 A 品(特別廉價的劣品);或者給你幾個容量近似的電容,你便很輕易的挑出最低的電容,如圖七的 H 對 I 電容。
如果你採用的是音頻振盪器及普通電錶,你所能測量的上限大概是 100KHz 或 200KHz。可是同樣地可利用寬範圍的函數產生器代替正弦波音源及更高級的高增益電錶代替電壓讀出裝置。同樣的也可以用在測試塑料電容上,此時典型的串聯諧振出現在更高頻率的範圍裡。
(譯自 Audio, Februare 1980)
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電容器的基本認識
對電容器一些特性概要地回顧一番,或許有助於更了解本專論的內容。
參見圖 B1,一個電容器係由電介質或絕緣體分開的二片極板(Plates)或者導體構成,能夠貯存電能、電容器的容量(Capacitance)則由極板的面積及位置(電介質厚度)、電介質常數共同決定。電介質常數計作 K,K 值係由測量已知物質之貯存電子能力與空氣貯存電子能力之比值而獲得。注意,若對一已知大小的電容,只有增加 K 質方能增大容量。
表 B1 是用在音頻方面的電介質資料摘要。注意,所有的塑料薄膜電介質的 K 值均相當低;剩下的諸如氧化鋁及氧化鉭,K 值均甚大。這就是為什麼相同的耐壓下,10uF 的多元碳酸酯電容比 10uF 的鋁或鉭電解質電容來得大的原因。
所有的電容都可以用圖 B2 等效電路予以電子模擬化。圖中的各個零件除 C 是理想的電容外,餘均係寄生之產物。圖中並聯的電阻 Rp ──或稱之為絕緣電阻,記作 IR(Insulation Resistance 的縮寫)──係起因於洩漏電流所引起的短路。Rp 值端視溫度及所加上的電壓而定。和 C 串聯的電阻 Rs,通常稱為等效串聯電阻,簡記為 ESR,決定著最小阻抗之值。Rs 由極板、引腳及主要的末端電阻(terminatuon resistances)構成。在大電流線路中,Rs 上將產生相當可觀的功率損失,所幸比值尚很小。L 則圍繞捲及引腳之靜電感。電容 C 實際上由 C1 和 C2 組成,此處 C2 及 R 視電介質吸收方式而定(詳論於測試部份)。
電容的損失包括真實電抗及無功電抗(reactive impedances)二部分,二者關係如圖 B3 之向量圖所示,可由式(2)、(3)、(4)計算之。
在關於電容特性的書本裡, θ 和 δ 經常可見。此二者所代表的損失可用功率因數(PF)或逸散因數(DF)表示。如式(5)及式(6)所示,二者呈三角函數關係。
有一點很重要,值得一提,在 Rs 非常小時,功率因數與逸散因數幾近乎相等。二者也可以用百分比表示,如式(7)、式(8)所示。
電容的損失也可以用另一種方式表示,即 Q 值或稱為品質因數(quality factor),係一般的優良指標(figure of merit)。Q 值是逸散因數的倒數,如式(9)所示;亦即低逸散因素的電解之 Q 值高。
從圖 B4 之假設的電容阻抗對頻率驅縣可知各個不同的電容損失因素間之相互關係。在頻率相當低時,阻抗 Z 之值等於 Xc,如式(2),呈反比關係,頻率高到某一處時,此時 Z 有一最低值,即 Rs。在這個阻抗最小頻率處,此電容事實上相當一個串聯諧振電路,最大的電流為 Rs 所量制。注意:只有真正的理想電容之阻抗,才可能隨頻率的增高而無限地降低;此刻在對數──對數座標裡隨頻率增加呈一下降直線,如圖 B4 中之虛線所示。此外,Rs 也受溫度及頻率之影響(圖 B4 無法看出)。
關於電容的一些公式
電容性電抗=Xc=½πfC
電感性電抗=Xc=2πfL
(註:以上二式僅限於正弦波,參見正文)
阻抗=Z=√Rs²+(Xc-XL)²
功率因數=PF=cos θ =sin
δ=Rs/Z
逸散因數=DF=cot θ=tan
δ=Rs/(Xc-XL)
(註:Rs 值相當低時,Z 和 Xc-XL 接近相等,因此,θ 趨近 90° 時,cos θ 與 cos θ 接近相等。故 PF 和 DF 和這個很小 Rs 值就近似相等。)
DF(%)=DF×100=100[Rs/(Xc-XL)] (7)
PF(%)=PF×100×100(Rs/Z) (8)
若 PF(%)值小於 14% 時,可說 DF=PF,此項誤差低於 1%。
品質因數或優良指標=
Q=(Xc-XL)/R=1/DF (9)
例題:DF(%)為 0.1% 之電容,其 Q 值為 1.000。
非常有趣的一點是:(2)、(3)二式係在單一頻率,正弦波之特殊狀況下電抗情形。事實上,音樂是同時具有許多信號的複合體,把它當作一個暫態波形源,或許能更正確地描述其一般地特性。
因此,像下面的短脈衝週期 t 與 f 之關係是相當地正確。
f=½t (10)
注意此時,我們不僅僅要考慮到重複的基頻,同時若波形能正確地傳遞,則尚須考慮所有諧波和其準確的相位構成的符豆爾級數(the Fourier Series)。(有興趣的讀者可自行參看工程數學中關於符豆爾級數部分──譯註)
(下) http://subig1957.pixnet.net/blog/post/17151607
轉載音響技術第55期JUL. 1980 電容器對音質真有影響嗎(上)?/趙建雄(譯自Audio, February 1980)
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