爲這次測試，收集瞭如下電容樣本，标稱容量都是0.1uF的。
圖中1号是個陶瓷介質電容；2-6号是各種類型的薄膜電容，其中6号是西門子的，其餘是雜牌，有國内也有國外的；7号是陶瓷密封油浸薄膜電容，耐壓最高，是1000V。
有人會問，這麽小容量的電容幾乎不用到音頻耦合回路裏面呢！呵呵，這個問題當然是和後級電路的輸入阻抗有關聯。當後級輸入阻抗大於47k歐時，0.1uF電容耦合對低頻損失是可以接受的。測試電路很簡單，如下圖。
大家知道，很多音頻的指标對音質有直接影響。不如說信噪比、動态、輸出功率、諧波失真。。。等等，大家盡量發揮自己的想象力，這麽簡單的一個電路裏面，電容究竟會對那個重要的指标有影響而改變音質呢？
當然，最容易影響的是頻響。但是前面提到瞭，隻要RC時間常數足夠大，低頻下降就可以忽略，所以這裏不予以考察。這次重點放在THD即全諧波失真指标的測量與分析。
下面這個圖标是R=2K時，7個電容對應的THD+噪聲和信号頻率的關系。
圖中線是耦合電容短路（即信号直通）時的失真曲線，也是這個測量系統在這個條件下的測量極限。
實際上，看到這張曲線圖是，我心裏是吓瞭一跳的。特别是1#樣本，在500Hz以下頻率，失真居然會達到0.2%以上！這個量級對訓練有素的耳朵來說是能夠聽出來的瞭。
眼尖的同學或者會看出來，由於電阻取的是2K，而電容隻有區區0.1uF，所以這個電路是個一階高通濾波器。當頻率很低時輸出會衰減很多，而我們測的是（THD+噪聲）/（信号＋噪聲），即這是信号變小瞭，比值自然會增大。也就是說，這個結果未必是真的諧波引起的。所以，我們有必要還是定量的看一下到底高通曲線是啥樣子。如下圖。
哈哈，500Hz對於平頂部分隻下降瞭4dB。所以上面的擔憂可以排除瞭。看來真的是有諧波失真發生哦，真郁悶！
不到黃河心不死！我要看諧波成分是啥樣子。對瞭，做快速傅立葉分析。
做瞭1号和7号兩個樣本分别在1kHz和400Hz輸入時的諧波成分分析，如下圖。
1kHz輸入時
400Hz輸入時
果然，全部都是如假包換的諧波！接受這個現實的同時，就得回答一個問題瞭：電容是非線性元件嗎？怎麽會有這麽大的非線性失真呢？
鑒於失真最厲害的是1号陶瓷電容，而陶瓷材料會有壓電特性。是不是這些電容因爲加上電壓後有什麽變化呢？於是給電容加上偏置電壓，選瞭1号、4号和7号三個樣本，測試結果如下圖。
圖表中可以看出，1号樣品缺失電容量雖偏置電壓變化而變化。偏壓從0V變到15V時，容量居然從96.3nF變化到98.2nF，變化率達到1.97%！另外兩個樣品卻沒測出來類似的容量變化。
那麽，1号樣品的這個偏壓-容量變化關系在這個耦合電路裏會引起什麽樣的後果呢？
一般的來說，有交流信号通過電容時，電容會有一個阻礙作用，既是容抗。容抗Ｘc=1/(ωC)=1/(2πfC)。如果信号的頻率ｆ不變，當Ｃ變化時，Xｃ也是變化的。
我們再看前面的測試電路，實際是一個Ｘｃ與Ｒ的串聯分壓電路。Ｘｃ越大，輸出越小。呵呵，問題原來在這裏瞭！對於１#電容，當交流信号在過０點時，電容是一個容量。當信号不在０點時相當於對電容加瞭一個偏壓；而在波峰或波谷時，偏壓達到瞭最大。既是說，一個周期的信号通過電容時，電容的容量經曆一個容量由小到大再由大到小的循環。輸出信号Ｖｏ＝R/(Xc//R)；當Xc變化時，Ｖｏ自然也就發生變化瞭。這就是的整個電路表現出瞭非線性特性！輸入一個标準正弦波時，輸出的卻是幅度不按正弦規律變化的畸變波形，這樣子諧波失真自然就産生瞭。
同樣的，這個結論也能解釋爲何頻率高時失真小而頻率低時失真大。當信号頻率高時，Xc就小，基數小瞭，變數自然也就更加小，當Ｘｃ小到和Ｒ比可以忽略時，變數引起的畸變自然也無影無蹤瞭。所以失真特性曲線上，不管那個電容對應的高頻段，諧波失真都非常小，直到沒有失真。
由於失真是由電容有偏壓時引起容量變化而産生的，而偏壓越大，電容變化也越大。那麽當信号電壓大時，輸出信号的失真也會更大！實際的情況任何呢？看看下面的測試曲線，描述的是失真對輸入信号強度的關系，信号頻率是１ｋＨｚ。
圖中最下面那條線是電容短路時的測試結果，當作參考。注意到當輸入信号大於１００ｍＶ時，随著信号強度的增加，ＴＨＤ也越來越大。當輸入信号達到１０Ｖｒｍｓ時，失真達到0.1５％左右。
記得前面我們也測瞭４号和７号電容的偏壓-容量特性，在電橋的分辨力範圍幾乎沒看到有容量的變化。但是在失真曲線上看到的諧波失真卻是不能忽略的。那這又是怎麽回事呢？
爲瞭找到這個回答這個疑問的蛛絲馬迹，於是對７個電容做瞭比較全面的參數測量，結果如下表。
看數據我們可以發現，測試頻率不同，同一電容的容量也會不同。爲瞭方便比較，表格的右邊專門算出瞭１００Ｈｚ和１０ｋＨｚ測試頻率時同一個電容器的電容量的比值。畫成圖表如下。
如果和失真曲線比照，會發現容量變化大的，失真也大。如圖中１#最大，失真也最大；４＃第二，對應失真圖上４００Ｈｚ－８ｋＨｚ這段範圍内失真表現都很突出；５＃變化最小，失真也幾乎是最貼近參考線。
同樣的，我們也可以整理一下損耗（方位角正切）的數據，如下面圖表。
１＃、４＃、５＃的變化規律，同樣是和失真特性相應證的。即損耗越大，引起的信号失真也大！
綜上所述，電壓效應（電壓-容量變化關系）於對電壓敏感的陶瓷電容是引起其産生諧波失真的主要因素。而對電壓不敏感的薄膜類電容，介質損耗、等效串聯電阻等因素同樣能引起非線性失真，隻是這時引起的失真數量級比較低，絕大多數場合是可以接受且人耳不能覺察的。
小結：該怎麽決定音頻電路中的耦合電容呢？
很顯然，能不用電容耦合就不要用瞭，現在有源器件的性能已非老早工業時代的産品所能比拟，設計出純ＤＣ放大電路已經不是什麽特别難的課題瞭。哦，你不得不要選用電容做耦合，其實結論上面已經有瞭。第一不是萬不得已，别選用瓷介電容；第二，要挑選Ｑ值高、ＥＳＲ小、介電損耗小的電容，同時注意高頻性能要盡量的好。
最後，上一個钽電解電容和鋁電解電容（４．７ｕＦ，Ｒ取６００歐）的比較測試結果，當作是本文的結尾吧。
圖中，綠線是钽電解，紅線是鋁電解，這樣子的特性，明白瞭該選哪個做耦合電容瞭吧？ |
