3 利用 MLCC 盡可能減少失真

盡可能降低電容器上的壓降將減輕失真。為此，一種做法是增加與電容器串聯(lián)的阻抗，以限制流過(guò)電容器的電流。為了證明這一點(diǎn)，我們?cè)诘轮輧x器 (TI) TLV320ADC5140 音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 評(píng)估模塊 (EVM) 上進(jìn)行了總諧波失真加噪聲 (THD+N) 測(cè)量^[2]，輸入端采用 4.7μF X7R 0805 交流耦合電容器。該 ADC 具有可設(shè)置為 2.5kΩ、10kΩ 或 20kΩ 的可編程輸入阻抗。圖 1 所示為采用了此電容器并同時(shí)使用 1V_RMS 輸入信號(hào)來(lái)改變輸入阻抗的情況下在單通道中獲得的結(jié)果。

如圖 1 所示，失真在較低頻率下會(huì)增加，并在電容器和 ADC 輸入阻抗形成的高通濾波器的 –3dB 截止頻率時(shí)達(dá)到峰值。這是因?yàn)?–3dB 處是電容器阻抗等于負(fù)載阻抗的位置，此時(shí)電容器上的電壓最高。對(duì)于輸入阻抗為 2.5kΩ 的情況，截止頻率約為 13Hz，但失真開(kāi)始的位置要遠(yuǎn)得多，大約在 400Hz，并在 13Hz 左右達(dá)到峰值。

正如預(yù)期的那樣，失真的變化與阻抗的增加呈相當(dāng)線性的關(guān)系。這種方法的缺點(diǎn)是增加器件的輸入阻抗會(huì)使信噪比性能降低幾分貝。此外，在外部添加串聯(lián)電阻也會(huì)導(dǎo)致額外的噪聲并增加增益誤差。增加的增益誤差可能需要校準(zhǔn)，因此會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。如果設(shè)計(jì)對(duì)成本敏感或?qū)γ娣e敏感，增加阻抗可能效果很好，但注重性能的設(shè)計(jì)會(huì)受到這種方法的不利影響。

另一種選擇是增加電容器的容值，直到其阻抗在目標(biāo)頻帶中足夠低，從而減少失真。圖 2 顯示了失真隨頻率的變化，而圖 3 顯示了因類似規(guī)格電容器的輸入電容發(fā)生變化而導(dǎo)致的失真隨輸入幅度的變化。請(qǐng)注意，測(cè)試的 47μF 電容器采用了 1206 封裝，增大封裝尺寸也會(huì)略微減少失真。但是，主要影響仍然是電容的急劇增加。

圖 3 中使用 100Hz 輸入信號(hào)獲取的數(shù)據(jù)表明，增大電容對(duì)于交流耦合應(yīng)用非常有效。電容大于 47μF 的 MLCC 很容易以 0805 或 1206 封裝形式提供。

這兩種減輕失真的方法都涉及通過(guò)增大電阻或增大電容來(lái)顯著降低高通濾波器的截止頻率。當(dāng)使用 MLCC 進(jìn)行交流耦合時(shí)，一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是將轉(zhuǎn)角頻率放置在距離指定通帶兩個(gè)十倍頻程的位置?；蛘?，換句話說(shuō)，使電容器比所需的電容器大 100 倍，或者在受支持的合理情況下盡可能大。當(dāng)使用過(guò)大的電容器時(shí)，即使是很小的串聯(lián)電阻也會(huì)使截止頻率極低。這意味著不會(huì)過(guò)濾不良的低頻噪聲，例如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體前端的典型 1/f 噪聲。在信號(hào)鏈的更下游應(yīng)用數(shù)字濾波將抑制典型的 1/f 噪聲。但是，仍然很難完全消除陶瓷電容器對(duì)音頻頻帶低音區(qū)域的影響。需要高性能的應(yīng)用仍然需要使用更好的技術(shù)。

在模擬濾波器設(shè)計(jì)等許多音頻應(yīng)用中，更好的解決方案是使用 C0G/NP0 陶瓷電容器，因?yàn)榇祟愲娙萜鞯男阅芤玫枚啵⑶胰匀徊捎眯⌒头庋b。雖然這是一個(gè)很好的解決方案，但并不總是可行。在音頻信號(hào)鏈中，保持低電阻可更大限度降低噪聲，但這樣做需要針對(duì)給定的截止頻率增加電容。容值大于 1μF 的 C0G/NP0 電容器不容易找到，因此它們?cè)诮涣黢詈虾推渌咄V波器應(yīng)用中的實(shí)用性有限。