电容之声

Jeff_Zhu

前段时间找到关于电容的一篇美文。作者的实力和严谨的态度都令人钦佩。其中的一些结果相信也可以有足够的参考价值。

原文在此
http://www.waynekirkwood.com/Ima ... tes_Cap_Sound_1.pdf
http://www.waynekirkwood.com/Ima ... tes_Cap_Sound_2.pdf
http://www.waynekirkwood.com/Ima ... tes_Cap_Sound_3.pdf

先占个位，英文过关的朋友可以先行自己享用起来。回头我有时间再一点一点给大家翻译，由于篇幅比较大，我又属于比较懒散的，性子急的朋友就先请忽略此贴，等个几个月过后再来看。

原版发表于2002年七月"Electronics World"，作者为C. Bateman

第一章 低失真（低于1ppm）1kHz测试震荡器
（注，工欲善其事必先利其器，这就像卫星和火箭的关系，卫星如果没有火箭是上不了天的，虽然最终工作的都是卫星，火箭只是一个工具用来送上天的。但没这个工具就啥都别想。作者为了得到可靠的测试数据，花了很大的精力专门研制一个电路来完成这个工作。其技术的严谨态度让人钦佩）

很多电容会在一个纯正弦波的测试信号上产生失真。在一些情况下，失真产生于寄生电容影响于电子管或半导体。其他的情况则是电容本身产生了失真

大多数有着良好设计的功放能测试到在1K正弦波下低于0.01%也就是100ppm的的失真。这么小的失真被认为是听不出来的，然而用户经常宣称在听音乐中能听出这些失真。

结果就是，在互联网上和和专业杂志中，都宣称识别到了不同种类的电容的声音不同。不依靠测量，而是通过聆听测试来更换电容。这导致了一个新市场来提供“更好的”的音频级电容，价格比主流市场的品种要高。

一个通常的主观感受是在电子管放大器中，油浸纸质电容比薄膜电容的声音更好。另一种说法是PET听起来更有“胆”味而PP电容听起来更“亮”，还有是所有的陶瓷电容都听起来很糟糕。很自然，这些观点没有测量的支持。

很多作者甚至诋毁测量，可能是这些测量结果会反驳他们的主观断言。

结果就是，我常常受到来自于读者的请求来给予一些电容上的建议。他们读到了很多有关于电容的文章，通常都是一些主观观点。观点之间相互矛盾。

这些年“Electronics World"的版面也反复的存在一些放大器设计者和音乐爱好者对于电容失真的争论，最终在一年前以一场刻薄的辩论赛达到了顶峰。在这期间，我提议要做一些有比较性的测量。

作为一个多年的电容设计者和测量工程师，我相信任何可以听到的差别一定也会是能够被理解的和能够被测量的。理解是基于电容的构造。测量则是需要在传统的测量技术上做一些改进。

从那时起，为了能够开发一个合适的测量方法，我们测量了大量不同种类的电容。现在，那些不同种类的电容失真差别可以被测量到了。有些失真是预料之中的，但有一小部分产生了预料之外的高失真。这些预料之外的电容通常产生了比同一盘的其他电容高出10倍的失真。

首先，我开始履行我的承诺。拥有了一种测试方法可以在1KHz下区分电容的种类和同一种类里面的好和差。



有一些电容甚至在一个1KHz的纯正弦波下都会失真。这是一个10nF X7R的陶瓷电容，由一个通过了CECC认证的欧洲厂商提供。在1KHz,3V,串联一个10K的限流电阻。测量到的失真小于0.5V


有些电容的失真非常小。这个10nF COG的陶瓷电容的供应厂商和前一个相同，和前一个电容在同一个分销商那里一起购入的。测试条件都相同，前后只间隔了几秒钟的时间。

测量
所有的性能图，1KHz的基频都用了一个双T陷波器衰减掉了65db。此文中的电容都通过一个3V的测试信号，量测其两端。

我决定开发一个低成本的测试方法，可以由感兴趣的读者自行复制。而不是用现成的但不容易获得的专业测试设备。希望这样可以帮助读者更好的理解，减少一些争论。

我在2001年8月开始这项工作。为了取得一个满意的结论，这成了我所有私人开发项目中的最漫长的项目。如果我预料到这会有这么长时间的话，可能我就不会启动这个项目了。

初期调研
很多年前在我研究一个很难处理的电容可靠性的问题时，我使用了一台“Radiometer CTL1"元件线性测试仪。这是一台很大很昂贵的的低失真振荡器和三次谐波测量表。我借助了很多有关于这台仪器的参考资料，开始了我第一次试验。

我很快认识到了如果要复制这台仪器的话会太复杂和太昂贵。我研究了一些其他现有的方法。只测量由电容产生的谐波失真看来是唯一可行的方案。

有点事后诸葛亮的是如果当初我最终没有使用这个方案，我可能不会看到实际上在绝大部分的电容中，占主导地位的是二次谐波失真，而不是以前认为的三次谐波失真。如果那样的话，我可能不会发现其实在实际应用中，电容的介质吸附会影响电容的失真。

因为很少有读者会拥有频谱仪，测量设备最终使用了一种更流行的仪器，"Pico ADC"也就是ADC-100，曾经是对"Electronics World"读者的特别优惠产品。或者也可以是一个电脑声卡和FFT软件，这些会更容易获得。用这些，我开始了一些电容的互调失真测量。

互调失真测量，当测试高质量的低损耗电容时，当然显现出了一些区别。当测试到那些差一点的电容时，就显现出了大很多的失真。这时，这些电容之间的差别变得很难解释。

初期试验时，用谐波失真测量那些差一点的电容，能显现一些很容易解释的差别。当测量到高质量的电容时，很显然我的信号发生器产生太多的失真，使得我无法分辨PET和PP电容之间的差异。


一个好的多的信号发生器
在看过很多低失真振荡器的设计后，我用洞洞板做了几个所谓性能得到保障的设计，用这些洞洞板我测了很多电容，但是只有一部分成功了。从这些结果中我慢慢意识到了我需要产生一个极低失真的1KHz正弦波，起码要达到3V的幅度，加载到一个100ohm/1uF的低失真电容负载，而且不能让负载的失真影响到我的测试信号。

这是一个几乎完美的1uF的PP薄膜电容。用3V，串了一个100ohm限流电阻，可以很清楚的看到我的目标性能指标已经达到了。
这个优异的结果很大的依赖于这个信号发生器的输出放大器。因为可以允许低至100ohm的限流电阻，这个100ohm/1uF对于任何信号发生器来讲都是一个非常难以驱动的负载。

仪器
为了测试这个几乎完美的电容，整套设备必须能够测量到1ppm也就是0.0001%以下的失真。这已近达到了昂贵的AP测试仪的等级了。

好吧，来开始设计这么一个振荡器，一个容易让读者用很低代价就能复制的的振荡器

1KHz振荡器的最终设计，上面的屏蔽盖现在被打开了，测试时把屏蔽盖合上。测试时没有用额外的屏蔽措施，使用了一般的室内荧光灯，放置在我的工作台上，离电脑大约有一米的距离。

symbianer

谢谢分享，

lxzheng

懒得看英文，先记号下！谢谢楼主了！

jgk1818

不懂英文。还是慢慢等你的吧

惩戒

下了，看看说啥的

Jeff_Zhu

先翻一点。这个工作量不是一般的大啊。

cenzhaoshan33

记号再看

Biglee_163

楼主辛苦了

hxy999

好文，英文看起来太累，还是楼主给大家说说，谢谢啦

HerculesVR

这个设计不是很好，事实上在这三个PDF诞生的 22年前就可以做到这个指标了···

weixiang

“作为一个多年的电容设计者和测量工程师，我相信任何可以听到的差别一定也会是能够被理解的和能够被测量的。理解是基于电容的构造。测量则是需要在传统的测量技术上做一些改进。
”这是精要！我虽然不是专业人员，但觉得（推测）不少电容的生产商以旧时的技术所限为由，而一直沿用并不“完整”的测量标准。当然，这个标准也很难完善和统一，因为这个所谓标准，为的是本来就没有统一标准的人耳服务。

大尾鱼

回复 1# Jeff_Zhu

不可否认； 电子电器的检测技术在过去几十年是有了很大的进步。 但是，到底仪器的检测结果与人耳的实听差别有多大，仍然没有最后的结论。

在本月初，美国的音响设计大王，John Curl, 也即马克列文逊的JC-2，等名器的设计者，也刚好发表了相关的话题。＂像工程师般地去设计产品，使样样指标符合传统规范，这并不一定可造出一个被人接受的音响产品。••• 即使拥有上好的测试设备，我仍然是无法测量或找到所在错误。＂

在下试转译如下：

1970年我犯了我一生的第一个大设计错误；它是有关使用电容器。当年我为GD公司研制一台晶体管的录音操纵台。当时，我们已经选择了我们可以找到的最优质的IC集成电路：哈里斯911，它可以工作在+ / -  24V，驱动600欧姆的负荷，有+5 / -2.5V /us 的压摆率或电压转换速率（Slew Rate）。在当年，这已经是一个非常优秀的IC啊。我的助理找到了一些2uF的瓷介电容。因为电容的大小合适，我们將它用作耦合电容。我们做好了电路板，并也测试过关。我们再用当年的80 MHz，SMPTE IM分析仪做测试，它也OK。

然而，GD公司对我们这个录音操纵台仅作了一小段时间的评估后，决定放弃了我们的设计，又回到了胆机。我也又失业了。这件事是我的一个严重的教训。像工程师般地去设计产品，使样样指标符合传统规范，这并不一定可造出一个被人接受的音响产品。后来，很久以后，是相当长的一段时间后，我才意识到，首先是瓷介电容（瓷介电容几个字作者用大写作强调），其次是IC集成电路，毁了这台机的音频质量。即使拥有上好的测试设备，我仍然是无法（无法二个字作者用大写作强调）测量或找到所在错误。

(在下注：难怪在JC，他的出名作品中，如JC-1, JC-2…等等，他极少使用耦合电容，更不纳用IC。）

英文全文如下：
john curl  
diyAudio Member
7.4.2012, 05:52 PM           #24182

I made my first BIG mistake using capacitors in 1970, designing a solid state studio board for the GD. We had already chosen the highest quality IC that we could find: The Harris 911, that could operate at +/- 24V, drive 600 ohms, and had the slew rate of +5/-2.5 V/us. Pretty darn good for an IC at that time. My associate found some 2uf CERAMIC caps that were the right size for coupling between stages. We built the board, it tested OK, (at the time I only had an SMPTE IM analyzer) and an 80 MHz scope. Still, it seemed to work OK. 
However, when it was evaluated by the GD over a period of time, they went back to tubes, and I went back to being unemployed. This taught me a serious lesson. Designing like an engineer, and meeting traditional specs, did NOT necessarily make an acceptable audio product. Later, much later, like a few years later, I realized that the CERAMIC caps, and secondarily the IC's, had ruined the audio quality, and I COULD NOT measure the problems with the test equipment that I then had very well.

好一个萝卜

学习

liao.c

很多东西，现代科技还无法解释得清楚

大尾鱼

回复 11# weixiang

"当然，这个标准也很难完善和统一，因为这个所谓标准，为的是本来就没有统一标准的人耳服务"

兄台，这才是精要！精辟又到位，服了。

Jeff_Zhu

这个设计不是很好，事实上在这三个PDF诞生的 22年前就可以做到这个指标了···
HerculesVR 发表于 2012-7-14 11:41

    现在的振荡器应该是可以做到-140db的THD了，其实这一篇的这个也很强了，大约在-130db左右。到那个级别就连空气的流动，不同金属之间的接触都会贡献足够多的噪声。

QQ虫

先记录再看

Jeff_Zhu

回复  Jeff_Zhu

不可否认； 电子电器的检测技术在过去几十年是有了很大的进步。 但是，到底仪器的检测结 ...
大尾鱼 发表于 2012-7-14 11:46

    2uF的陶瓷电容当然会毁掉这个设计。等我翻译完了这篇文章之后你就会知道为什么了。

    John Curl应该是受限于当时的测量技术，因为他说的“即使拥有上好的测试设备，我仍然是无法测量或找到所在错误。”事实证明他的测试设备不够好，或者是他没有能力测量到那个陶瓷电容的错误。

Jeff_Zhu

又加了一点，这天气好热，打字打出汗了

weixiang

2uF的陶瓷电容当然会毁掉这个设计。等我翻译完了这篇文章之后你就会知道为什么了。

    John  ...
Jeff_Zhu 发表于 2012-7-14 12:52

我觉得主要还不是测量设备的问题，而是对电容好声与否的标准问题。时至今日，二三十年前的一些老式电容仍然很好声，是因为当年就有了测量到这些电容是好声的一类吗？答案是肯定的，大家应该很清楚了吧？！音响是一门“综合”的“艺术”，别完全指望尖端仪器去帮你完成一部经典，还是靠足够的调教经验去实际得多。仪器只能在一定范围内辅佐一下。