在音频电路中，无源元件被用于设定电路增益，提供偏置和电源抑制，实现级间直流隔离等等功能。由于便携式音频设备的局限性，其空间、高度和成本都受到了严格限制，迫使设计者必须采用小尺寸、低截面和低成本的无源元件。但在使用之前，有必要对这些器件的音频效果作一番研究，拙劣的元件选择会显著降低系统的性能。

一些设计者以为电阻和电容对音质没有什么大的影响，但实际情况是，很多在音频信号通道上经常使用的无源元件所固有的非线性特性，会带来严重的总谐波失真（THD）。某些情况下，无源器件对于系统非线性的贡献甚至于超出了放大器和DAC之类的有源器件，而后者通常被很多设计者看作是音频性能的主要限制因素。

非线性之源

电容和电阻都存在一种所谓的电压系数效应：当元件两端的电压改变时，元件的物理特性会发生某种程度的改变，其参数值也随之改变。例如，当一个两端无电压时阻值为1.00kΩ的电阻被加以10V电压时，其实际电阻值变为1.01kΩ。这种效应随元件的类型、结构和化学类型(对于电容)的不同而有很大差异。有些制造商可以提供电压系数信息，以曲线方式给出了电容变化百分比对应额定电压变化百分比的关系。

现代薄膜电阻的电压系数已非常好，实验室条件下基本上测不到。然而，电容器则差强人意，会对性能产生影响：
（1）电压系数：如前所述。
（2）介电吸收（DA）：类似于记忆效应，表现为已被放电的电容仍持有一些电荷。
（3）等效串联电阻（ESR）:和频率有关：当串联耦合电容驱动低阻抗耳机或扬声器时会限制功率输出。
（4）颤噪效应：一些电容有显著的压电效应，物理应力或变形会在电容两端产生电压。
（5）误差较大：多数大容值电容(几uF或更大)通常没有严格规定精度。而电阻就很容易且廉价地做到1%或2%的容差。

下面的讨论给出了一种测试方法，包括一个简单的测试电路和现成的音频测试设备，以便评价音频信号通道上的电容器所带来的不利影响。其目的不是对某种尺寸和额定电压或元件类型进行取舍判定，只是要让有关人士了解这种现象，展示出一些有代表性的结果，并提供一种测试手段，以便进行合理的比较和判断。

测试方法描述

非线性交流响应很容易在电容上观察到。对于模拟音频（有必要加以限制）的频率响应在大多数电路模块中可分为高通、低通和带通滤波器，这些滤波器的非线性对于音频质量有显著影响。

考虑一个简单的RC高通滤波器。当频率远高于-3dB截止频率时，电容器的阻抗低于电阻。当有高频交流信号通过时，只在电容器两端产生很小的电压，因此电压系数所造成的变化应该很小。不过，信号电流流过电容时，会在电容器的ESR上产生电压。ESR的非线性达到一定程度就会使非线性失真恶化。

当接近-3dB截止频率时，电容和电阻的阻抗值达到同一数量级。结果是在电容器两端产生明显的交流电压，同时又只对输入信号产生很小的衰减。此时，电压系数效应接近其峰值。

本测试将聚焦于-3dB截止点的总谐波失真(THD)，突显无源元件的非理想特性——主要来源于其电压系数效应。测试电路包括一个-3dB截止频率为lkHz的高通滤器，和一个音频分析器(Audio Precision System One)，以便观察在更换不同结构、化学成分和不同类型电容时的总谐波失真和噪声（THD+N）恶化情况。考虑到可选电容类型的多样性，选择1uF容值的电容。它和150Ω的负载电阻形成了一个1kHz截止频率的耳机滤波器。注意，本测试中被测电容两端没有直流偏压。输入和输出有相同的直流电位。

聚酯电容器和参考基线

THD+N和频率的关系曲线给出了测试装置分辨率的上限，以及一种25V穿孔式聚酯电容器(在便携设备中不常用)的最小影响。由电压系数引起的非线性失真也不是很明显。注意到在频率低于lkHz时THD开始增加，但实际上输出信号在频率低于lkHz时也下降了，因而降低了由分析仪所记录的信号vs噪声(加失真)比率。关键区域在于lkHz以上，在此区间聚酯电容的表现良好，仅能测到相对于参考基线轻微的恶化。

钽电介质

便携设备中常可以看到钽电容，通常用作隔直电容，特别是要求电容值大于几uF时。表面安装型钽电容器和传统的穿孔“浸渍”型钽电容器(实验室中很常见)同样具有luF的容值，只是物理尺寸(外壳尺寸)和额定电压不同。注意，本测试中电容器两端没有施加直流偏压。

陶瓷电介质

陶瓷电容器常用于音频电路两级间的交流耦合、低音增强和滤波电路。

观察穿孔式陶瓷电容器的特性曲线可以发现，最差情况是X5R电介质，-3dB点的THD仅为0.2%。为便于比较，可将其等同为-54dB的失真。与此同时，大多数16位音频DAC和CODEC的THD，相对于其满度输出至少要比这个数值(-54dB)好一个数量级。

需要注意的是，COG电介质能够保证很低的电压系数，但是它的电容值仅限于0.047uF以下。

避免电容器电压系数效应的影响

立体声耳机驱动IC(MAX4410)采用一种创新技术，称为直接驱动。MAX4410工作于单一正电源PVDD时，却可将输出偏置设定在0V，这样，就可以用直流耦合方式驱动耳机。它具有以下一些优点：
（1）省掉了大尺寸的隔直电容(典型100gF至470gF)，同时也消除了一个由电压系数引起的主要的THD来源。
（2）更低的-3dB截止频率，由输人电容和输入电阻决定的截止频率大约在1.6Hz，但若采用交流耦合方式驱动16Ω耳机，要实现1.6Hz的-3dB点就需要大约6200uF的电容。此外，低频响应也不再和负载相关了。
（3）省掉大尺寸电容，明显节省了印制板面积。而且，和MAX4410的充电泵电路中所采用的1uF和2.2uF陶瓷电容相比，这种电容是很昂贵的。
（4）对于一个参照于地的负载，为了使输出级能够吸收和源出负载电流，MAX4410芯片产生了一个内部的负电源来驱动放大器。由于这个电源(PVss)是正电源(VDD)的反相，可用的输出电压动态范围(接近2VDD)是传统的单电源、交流耦合耳机驱动器的两倍。

在本例中，我们已给出了一个相对简单的方法采降低输入电容的电压系数效应在音频频段的影响，那就是选用超额容值的电容。假定输入电阻为10kΩ，选用10uF陶瓷电容作为CIN。这种组合将 -3dB点置于1.6Hz，这样，电压系数非线性所造成的最坏影响也要比人耳能够听到的最低频率低至少一个数量级。

总结

无源器件会给模拟音频通带采显著的、可测量的性能恶化。这种效应很容易用标准的音频测试装置测试和评价。在已经过测试的电容类型中，铝电解和聚酯电容有最低的THD，X5R陶瓷电容的THD最差。

而选择有源器件时，应注意尽可能减少模拟音频电路中交流耦合电容的数量。例如，可以采用差分信号或直接驱动器件(1MAX4410)来馈送耳机。如果可能的话，在设计音频电路时应尽可能使用小容值电容，这样就可以使用COG（玻璃片）或PPS（聚苯硫化塑胶）电容。为了减小交流耦合音频电路中电压系数的影响，可将-3dB点降低到远低于实际需求的位置，例如10倍频，将可能产生问题的频率限制在次声波频段。