音頻界的“降噪神器”——INA165x音頻線接收器

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)中，如何高效、低噪地處理音頻信號(hào)一直是工程師們面臨的重要挑戰(zhàn)。今天，我們就來(lái)深入探討一款在音頻信號(hào)處理領(lǐng)域表現(xiàn)卓越的產(chǎn)品——德州儀器（TI）的INA165x音頻線接收器，包括雙聲道的INA1650和單聲道的INA1651。

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一、產(chǎn)品特性：集眾多優(yōu)勢(shì)于一身

1. 高共模抑制比（CMRR）

INA165x的共模抑制比典型值高達(dá)91 dB，能夠出色地抑制共模噪聲，確保音頻信號(hào)的純凈度。這一特性使得它在復(fù)雜的電磁環(huán)境中也能穩(wěn)定工作，有效減少外界干擾對(duì)音頻信號(hào)的影響。

2. 高輸入阻抗與超低噪聲

其差分輸入阻抗達(dá)到1 MΩ，能夠減少信號(hào)源的負(fù)載效應(yīng)，保證信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸。同時(shí)，超低的輸出電壓噪聲，在20 Hz至20 kHz范圍內(nèi)，無(wú)加權(quán)噪聲僅為 -104.7 dBu，有效降低了背景噪聲，讓音頻更加清晰純凈。

3. 超低總諧波失真 + 噪聲（THD+N）

在22 dBu、22 - kHz帶寬的條件下，THD+N低至 -120 dB，能夠高度還原音頻信號(hào)的原始特征，為用戶帶來(lái)高保真的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。

4. 寬帶寬與低靜態(tài)電流

2.7 MHz的寬帶寬，使得INA165x能夠處理高頻音頻信號(hào)，確保音頻的豐富度和層次感。而INA1651的典型靜態(tài)電流僅為6 mA，在保證高性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)。

5. 其他特性

集成的短路保護(hù)功能和EMI濾波器，增強(qiáng)了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性；±2.25 V至±18 V的寬電源范圍，使其適用于多種電源環(huán)境；14引腳TSSOP的小型封裝，節(jié)省了電路板空間，方便進(jìn)行高密度設(shè)計(jì)。

二、應(yīng)用場(chǎng)景：廣泛覆蓋音頻領(lǐng)域

1. 音頻接口與輸入電路

在差分音頻接口和音頻輸入電路中，INA165x能夠有效抑制共模噪聲，將差分音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)，為后續(xù)的音頻處理提供高質(zhì)量的輸入。

2. 音頻功率放大器與分析儀

在音頻功率放大器中，它可以提高輸入信號(hào)的質(zhì)量，減少失真；在音頻分析儀中，能夠準(zhǔn)確地采集和處理音頻信號(hào)，為分析提供可靠的數(shù)據(jù)。

3. 高端音視頻接收器

對(duì)于高端音視頻（A/V）接收器，INA165x的高保真性能能夠滿足用戶對(duì)高品質(zhì)音視頻體驗(yàn)的需求，確保音頻信號(hào)的準(zhǔn)確還原。

三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理：精妙設(shè)計(jì)保障性能

1. 音頻信號(hào)路徑

音頻信號(hào)路徑主要由輸入偏置電阻、電磁干擾（EMI）濾波、輸入緩沖器和差分放大器組成。輸入緩沖器可以防止外部電阻影響內(nèi)部電阻的精確匹配，保證高共模抑制性能；輸入偏置電阻為緩沖放大器的偏置電流提供通路；EMI濾波則可以防止高頻干擾信號(hào)進(jìn)入音頻信號(hào)路徑。

2. 電源分配器

集成的電源分配器電路可以將輸入共模電壓和輸出參考電壓偏置到電源電壓的中間點(diǎn)，其標(biāo)稱輸出電壓為 (V_{MID(OUT) }=frac{VCC+VEE}{2})。該電路由兩個(gè)500 - kΩ電阻連接在VCC和VEE引腳之間，通過(guò)緩沖放大器提供低阻抗輸出，為REF引腳提供穩(wěn)定的偏置電壓。

3. 電氣過(guò)應(yīng)力保護(hù)與熱關(guān)斷

內(nèi)部的ESD保護(hù)電路通過(guò)電流轉(zhuǎn)向二極管將輸入和輸出引腳與內(nèi)部電源線路相連，防止靜電放電對(duì)器件造成損壞。當(dāng)輸入信號(hào)電壓超過(guò)電源電壓0.3 V時(shí)，需要限制輸入信號(hào)電流小于10 mA，以保護(hù)內(nèi)部鉗位二極管。同時(shí)，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)約170oC時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)自動(dòng)禁用放大器，待溫度下降后再自動(dòng)恢復(fù)，保護(hù)器件免受過(guò)熱損壞。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)：優(yōu)化性能的關(guān)鍵

1. 輸入共模范圍

INA165x的線性輸入電壓范圍從負(fù)電源電壓內(nèi)350 mV到正電源電壓下2 V，在這個(gè)范圍內(nèi)能夠保持至少85 dB的共模抑制比。對(duì)于不同的電源和 (V_{REF}) 配置，建議使用INA共模范圍計(jì)算工具來(lái)確定共模范圍。

2. 共模輸入阻抗匹配

系統(tǒng)中的阻抗不匹配會(huì)降低共模抑制比。雖然INA165x對(duì)這種影響具有較強(qiáng)的抵抗力，但在COM引腳與系統(tǒng)地之間連接一個(gè)電阻 (R{COM}) 可以進(jìn)一步提高CMRR性能。不過(guò)，在單電源系統(tǒng)中使用交流耦合電容時(shí)， (R{COM}) 可能會(huì)增加啟動(dòng)時(shí)間，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

3. 啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)化

在單電源應(yīng)用中，內(nèi)部電源分配器的濾波電容 (C{F}) 充電時(shí)間和交流耦合電容的充電時(shí)間會(huì)影響啟動(dòng)時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)在 (V{MID(IN) }) 引腳與正電源之間添加齊納二極管來(lái)減少 (C_{F}) 的充電時(shí)間，同時(shí)合理選擇交流耦合電容的大小，以平衡啟動(dòng)時(shí)間和音頻性能。

4. 輸入交流耦合

音頻系統(tǒng)中通常采用交流耦合來(lái)避免直流電壓的影響。電容值的選擇需要根據(jù)所需的音頻帶寬來(lái)確定，同時(shí)要注意輸入交流耦合電容的匹配問(wèn)題，以防止CMRR性能下降。在可能的情況下，連接 (R_{COM}) 可以改善低頻率下的CMRR性能。

5. 電源分配器電容負(fù)載

VMID(OUT)引腳在電容負(fù)載高達(dá)150 pF時(shí)是穩(wěn)定的。如果連接的電容負(fù)載大于150 pF，則需要使用隔離電阻 (R_{ISO}) 來(lái)保證穩(wěn)定性。同時(shí)，REF引腳必須直接連接到VMID(OUT)引腳，以避免影響CMRR性能。

五、典型應(yīng)用案例：展現(xiàn)強(qiáng)大實(shí)力

1. 雙電源系統(tǒng)中的差分音頻線接收器

在專業(yè)音頻應(yīng)用中常見(jiàn)的雙電源系統(tǒng)中，INA1650可以作為差分音頻線接收器，有效恢復(fù)受共模噪聲影響的差分音頻信號(hào)。通過(guò)合理選擇外部元件，如輸入和輸出電容、電阻等，可以實(shí)現(xiàn)良好的頻率響應(yīng)、高CMRR和低THD+N性能。

2. 單電源應(yīng)用中的差分線接收器

將COM和REF引腳連接到內(nèi)部電源分配器的輸出 (V{MID(OUT) })，并在 (V{MJD(IN) }) 引腳添加1 - μF電容進(jìn)行濾波，INA1650可以在單電源應(yīng)用中穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)差分音頻信號(hào)的接收和處理。

3. 用于減少接地環(huán)路噪聲的浮動(dòng)單端輸入線接收器

在音頻系統(tǒng)中，接地環(huán)路會(huì)引入大量共模噪聲。INA165x可以通過(guò)電阻將同軸電纜的屏蔽層浮空，將接地噪聲作為共模信號(hào)處理，同時(shí)通過(guò)電容提供高頻接地路徑，以及使用瞬態(tài)電壓抑制器保護(hù)輸入引腳，有效減少接地環(huán)路噪聲的影響。

4. 具有差分輸出的單端線接收器電路

在需要差分輸出的應(yīng)用中，如音頻ADC和許多D類放大器設(shè)備，可以在INA1650的輸出端添加OPA1688音頻運(yùn)算放大器，將單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出，滿足不同設(shè)備的輸入要求。

5. 單電源應(yīng)用中的TRS音頻接口

對(duì)于使用TRS連接器的輔助音頻輸入，INA1650可以作為線接收器，去除套筒連接上的共模噪聲，實(shí)現(xiàn)清晰的音頻信號(hào)傳輸。

6. 作為平衡音頻線驅(qū)動(dòng)器

INA1650可以將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào)，用于線驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。通過(guò)隔離電阻和交流耦合電容的合理使用，可以保證電路的穩(wěn)定性和信號(hào)質(zhì)量。

六、電源與布局建議：確保穩(wěn)定運(yùn)行

1. 電源建議

INA165x可以在±2.25 V至±18 V的電源范圍內(nèi)工作，并且電源電壓不需要相等。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求設(shè)置正、負(fù)電源電壓，以滿足不同的輸出電壓擺幅要求。

2. 布局指南

為了確保設(shè)備的最佳性能，在PCB布局時(shí)需要遵循一些原則。例如，在每個(gè)電源引腳與地之間連接低ESR的1.0 - μF和0.1 - μF陶瓷旁路電容，盡量靠近器件放置，以減少電源引腳引入的噪聲；將REF引腳連接到低阻抗、低噪聲的系統(tǒng)參考點(diǎn)，如模擬地或VMID(OUT)引腳，并且使用最短的走線；將外部元件盡量靠近器件放置，以減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾；使用接地層和平面來(lái)屏蔽輸入信號(hào)走線，保持輸入走線長(zhǎng)度相等且盡量短，并以差分對(duì)的形式布線，以降低信號(hào)干擾。

七、開(kāi)發(fā)與文檔支持：助力設(shè)計(jì)過(guò)程

1. 開(kāi)發(fā)支持

TI提供了TINA - TI?免費(fèi)軟件下載，這是一款基于SPICE引擎的電路仿真程序，預(yù)加載了宏模型庫(kù)和各種無(wú)源、有源模型，能夠進(jìn)行常規(guī)的直流、瞬態(tài)和頻域分析，還具備額外的設(shè)計(jì)功能。此外，TI Precision Designs提供了許多有用電路的理論分析、元件選擇、仿真、完整的PCB原理圖和布局、物料清單以及實(shí)測(cè)性能等信息，為工程師的設(shè)計(jì)提供了參考。

2. 文檔支持

相關(guān)文檔包括電路板布局技術(shù)等，同時(shí)提供了快速訪問(wèn)技術(shù)文檔、支持和社區(qū)資源、工具和軟件以及訂購(gòu)信息的鏈接。用戶還可以通過(guò)注冊(cè)接收文檔更新通知，及時(shí)了解產(chǎn)品的最新信息。

INA165x音頻線接收器憑借其卓越的性能和豐富的功能，為音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求，合理選擇和應(yīng)用這款產(chǎn)品，并注意應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)和布局規(guī)范，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻信號(hào)處理。你在使用類似音頻處理器件時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。