音頻信號中交流耦合電容的選擇

1 綜述

在時間和幅度上都連續的信號稱為模擬信號。而聲音或音頻信號正是這種隨時間而連續變化的物理量，屬于模擬信號，有三個重要的參數分別是：幅度、頻率和相位。人對音頻信號的幅度感覺為聲音的大小，對其頻率感覺為音調的高低。人耳能聽到的聲音頻率范圍是20Hz-20kHz，20-40Hz為極低頻段，40-80Hz為低頻段，80-160Hz為中低頻段，160-1280Hz為中頻段，1280-2560Hz為中高頻段，2560-5120Hz為高頻段，5120-20000Hz為極高頻段。

本文試著從音頻電路中音頻信號交流耦合電容的作用、類型以及容值大小三個方面做些解釋。

2 音頻交流耦合電容的作用

音頻信號中交流耦合電容(AC Coupling Capacitors)的作用是，隔斷音頻信號中前級和后級的直流分量，只取交流分量，因為音頻信號是模擬交流信號，不需要直流分量。音頻信號中的直流分量對最終揚聲器的發聲沒有貢獻，若不隔離該直流分量，還會產生額外的功率損耗（因為通常揚聲器的阻抗在6 - 10 OHM之間），且可能損壞耳機或耳機放大器。

音頻信號輸入端的交流耦合電容，與后端ADC/CODEC器件的輸入阻抗一起，構成高通濾波器(High-pass Filter, HPF)，高于該HPF下限截止頻率的信號才能順利通過。

音頻信號輸出端的交流耦合電容，與后端耳機或揚聲器的阻抗一起，也構成高通濾波器。

3 音頻交流耦合電容的類型

音頻交流耦合電容為何較少用普通陶瓷電容MLCC，而更多地用電解電容或薄膜電容？

注：圖片來源 https://wenku.baidu.com/view/62d8714fb9f67c1cfad6195f312b3169a451ea8a

針對音頻交流耦合電容的類型問題，有以下幾個結論：

1) 音頻交流耦合電容，無極性的陶瓷電容、有極性的電解電容和薄膜電容都可以使用。

2) 音頻交流耦合電容，性能最差的是陶瓷電容，其次是電解電容，性能最好的是薄膜電容（用于發燒級或殿堂級的音響設備）。從圖 1可以看出，陶瓷電容的電壓系數較大，穩定性較差，而電解電容和薄膜電容的穩定性更好。且陶瓷電容有壓電效應，物理應力或形變會在其兩端產生電壓噪聲。

3) 音頻交流耦合電容，使用無極性的陶瓷電容時，應選擇II類中X7R或I類(C0G/NP0)等溫度特性較好、且精度較高的陶瓷電容，避免使用II類中X5R等溫度特性較差的陶瓷電容，因為溫度特性較差且精度較低的電容會引起更大的總諧波失真和噪聲(THD+N) (Total Harmonic Distortion plus Noise)。

4) 音頻信號處理電路中的儲能電容通常用電解電容，濾波電容通常用X7R材質以上的陶瓷電容。

4 音頻交流耦合電容容值大小的確定

音頻交流耦合電容取值，應保證20Hz - 20kHz范圍內的音頻信號都能有效通過；即，RC高通濾波器的下限截止頻率應小于20Hz（如果要限制20kHz，可用低通濾波器，使低于20kHz的音頻信號才能通過，如圖 3中的R65&C70組成的低通濾波器）。截止頻率的計算公式如下：

通常ADC/CODEC音頻輸入端的阻抗較大（一般大于10k），當輸入阻抗取10k，高通濾波器的下限截止頻率取20Hz時，計算所得交流耦合電容CIN的最小值為0.796uF（一般可取1uF或4.7uF，此時的下限截止頻率為15.915Hz或3.386Hz）；可見，由于取值通常較小，音頻輸入端的交流耦合電容可選擇陶瓷電容。

音頻輸出端之后通常接耳機或揚聲器，它們的阻抗較小（一般在6 - 10 OHM之間）。當RC高通濾波器中的電阻直接取耳機的阻抗10 OHM，下限截止頻率為20 Hz時，計算所得交流耦合電容COUT的最小值為795uF，可見容值較大，所以通常用電解電容或薄膜電容。

為了減小COUT的容值，可增加RC高通濾波器中的電阻值為10k（即在電容COUT后增加一個10k電阻到地），如此計算得到COUT的最小值為0.796uF，實際應用中也可取為1uF。可見，通過這種方法可以大幅減小音頻輸出端的交流耦合電容的容值，從而大幅減小尺寸，實現用體積較小的陶瓷電容替代體積較大的電解電容或薄膜電容的目的。

5 實例

5.1 Audio ADC——Cirrus Logic CS5361

CS5361, 24-bit Conversion, 114 dB Dynamic Range, -105 dB THD+N, up to 192 kHz

圖 2 Audio ADC CS5361 EVB中音頻輸入電路

圖 2是Audio ADC CS5361 EVB中音頻輸入端的緩沖器電路，從中可得以下信息：

1) 音頻輸入端的交流耦合電容C19和C22，使用的是有極性的電解電容。

2) 無極性電容C16、C18和C28等，使用了X7R或C0G溫度特性較好的電容。

3) 根據 ( C19 & R7 ) 或 ( C22 & R11) 組成的高通濾波器，及其截止頻率計算公式

，計算可得截止頻率為1/(2*3.14*(10*103)*10*(10-6))=1.59 Hz。因為音頻信號的頻率范圍在20Hz - 20KHz之間，此處交流耦合電容的取值，需保證高通濾波器的下限截止頻率最大不超過20Hz，以免低頻段的音頻信號被濾除。

5.2 Audio DAC——Cirrus Logic CS4361

圖 3 Audio DAC CS4361 EVB中的音頻輸出電路

圖 3是Audio DAC CS4361 EVB中的音頻輸出電路，可得以下信息：

1) 音頻輸出端的交流耦合電容C68和C53，使用的是有極性的電解電容。

2) 無極性的電容，使用了C0G類溫度特性較好的電容。

3) 下限截止頻率和上限截止頻率如下

高通濾波器(C53=3.3uF)&(R59=10k)的下限截止頻率為1/(2*3.14*(10*103)*3.3*(10-6))=4.83 Hz

低通濾波器(R55=470)&(C55=2700pF)的上限截止頻率為1/(2*3.14*(470)*2.7*(10-9))=125.48kHz

可見，低通濾波器的上限截止頻率相比音頻的20kHz有些過高，若使用100R&68000pF組合的低通濾波器，計算得到的上限截止頻率為23.4kHz（實際使用時，須評估是否對高音有不良音響）。

5.3 Audio CODEC——Cirrus Logic WM8731

圖 4 WM8731L-6061-FL28-M音頻輸入輸出電路

圖 4是Audio CODEC WM8731參考電路中的音頻輸入輸出電路，可得以下信息：

1) 音頻輸入端使用容值較小的無極性陶瓷電容C1，從“WM8731L-6061-FL28-M.pdf”BOM表中得知C1的描述為“(Multicomp N0805R105KCT)1uF 0805 SMD Ceramic Capacitor 10V X7R”，溫度特性為X7R。

2) 音頻輸出端使用容值較大的有極性電容C10和C13，BOM表中的描述為“(AVX TAJD227K010R)Tantalum Capacitor SMD 220uF - 10V - AVX”。

5.4 Audio CODEC——TI TLV320AIC3204

圖 5 ezdsp5535_Schematics_RevC音頻輸入輸出電路

圖5是TI DSP芯片TMS320C5535 Evaluation Kit中的音頻輸入輸出電路，可見其音頻輸入端的交流耦合電容使用了無極性的陶瓷電容，型號為GRM188R60J474KA01D(Murata Electronics, CAP, CER, SMT 0603, 0.47uF, 6.3V, X5R, +/-10%)。音頻輸出端的交流耦合電容使用了有極性的固體鉭電解質電容，型號為T491B107M006AT(Kemet Electronics Corporation, CAP, TANT, SMT 1311, 100uF, 6V )。

注：以上電容具體型號來源于“ezdsp5535_BML_RevC.pdf”文檔。其中，陶瓷電容的溫度特性為X5R，若使用X7R/C0G類陶瓷電容更好。

6 總結

本文總結了音頻電路中，音頻交流耦合電容的作用，其類型如何選擇，以及其容值大小如何確定等幾個方面的問題。有以下結論供參考：

1）PCB尺寸空間允許的情況下，優選電解電容或薄膜電容（因其在電壓系數等參數上更穩定）作為音頻信號交流耦合電容，其次才選擇X7R/C0G類溫度特性較好且精度較高的陶瓷電容，以此將THD+N最小化。

2）通常音頻輸入端的交流耦合電容所需容值較小（因為后端ADC/CODEC的輸入阻抗通常較大），可用陶瓷電容；音頻輸出端所需容值較大（因為后端負載，即揚聲器的阻抗通常減小，只有6 - 10OHM），可用電解電容（如液體鋁電解質電容，俗稱“電解電容”；如固體鉭電解質電容，俗稱“鉭電容”）或薄膜電容。若受限于PCB尺寸空間，可在音頻輸出端加大高通濾波器的電阻值，從而減小電容值，減小電容的尺寸，實現用體積較小的陶瓷電容替代體積較大的電解電容或薄膜電容的目的。