音頻界的“降噪神器”——INA165x音頻線接收器

在音頻設備的設計中，如何高效、低噪地處理音頻信號一直是工程師們面臨的重要挑戰。今天，我們就來深入探討一款在音頻信號處理領域表現卓越的產品——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。

文件下載：ina1650.pdf

一、產品特性：集眾多優勢于一身

1. 高共模抑制比（CMRR）

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

2. 高輸入阻抗與超低噪聲

其差分輸入阻抗達到1 MΩ，能夠減少信號源的負載效應，保證信號的準確傳輸。同時，超低的輸出電壓噪聲，在20 Hz至20 kHz范圍內，無加權噪聲僅為 -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的原始特征，為用戶帶來高保真的聽覺體驗。

4. 寬帶寬與低靜態電流

2.7 MHz的寬帶寬，使得INA165x能夠處理高頻音頻信號，確保音頻的豐富度和層次感。而INA1651的典型靜態電流僅為6 mA，在保證高性能的同時，實現了低功耗設計。

5. 其他特性

集成的短路保護功能和EMI濾波器，增強了產品的穩定性和可靠性；±2.25 V至±18 V的寬電源范圍，使其適用于多種電源環境；14引腳TSSOP的小型封裝，節省了電路板空間，方便進行高密度設計。

二、應用場景：廣泛覆蓋音頻領域

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，將差分音頻信號轉換為單端輸出信號，為后續的音頻處理提供高質量的輸入。

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的質量，減少失真；在音頻分析儀中，能夠準確地采集和處理音頻信號，為分析提供可靠的數據。

3. 高端音視頻接收器

對于高端音視頻（A/V）接收器，INA165x的高保真性能能夠滿足用戶對高品質音視頻體驗的需求，確保音頻信號的準確還原。

三、內部結構與工作原理：精妙設計保障性能

1. 音頻信號路徑

音頻信號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進入音頻信號路徑。

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，其標稱輸出電壓為 (V_{MID(OUT) }=frac{VCC+VEE}{2})。該電路由兩個500 - kΩ電阻連接在VCC和VEE引腳之間，通過緩沖放大器提供低阻抗輸出，為REF引腳提供穩定的偏置電壓。

3. 電氣過應力保護與熱關斷

內部的ESD保護電路通過電流轉向二極管將輸入和輸出引腳與內部電源線路相連，防止靜電放電對器件造成損壞。當輸入信號電壓超過電源電壓0.3 V時，需要限制輸入信號電流小于10 mA，以保護內部鉗位二極管。同時，當結溫超過約170oC時，熱關斷電路會自動禁用放大器，待溫度下降后再自動恢復，保護器件免受過熱損壞。

四、應用設計要點：優化性能的關鍵

1. 輸入共模范圍

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

2. 共模輸入阻抗匹配

系統中的阻抗不匹配會降低共模抑制比。雖然INA165x對這種影響具有較強的抵抗力，但在COM引腳與系統地之間連接一個電阻 (R{COM}) 可以進一步提高CMRR性能。不過，在單電源系統中使用交流耦合電容時， (R{COM}) 可能會增加啟動時間，需要根據實際情況進行選擇。

3. 啟動時間優化

在單電源應用中，內部電源分配器的濾波電容 (C{F}) 充電時間和交流耦合電容的充電時間會影響啟動時間。可以通過在 (V{MID(IN) }) 引腳與正電源之間添加齊納二極管來減少 (C_{F}) 的充電時間，同時合理選擇交流耦合電容的大小，以平衡啟動時間和音頻性能。

4. 輸入交流耦合

音頻系統中通常采用交流耦合來避免直流電壓的影響。電容值的選擇需要根據所需的音頻帶寬來確定，同時要注意輸入交流耦合電容的匹配問題，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. 電源分配器電容負載

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

五、典型應用案例：展現強大實力

1. 雙電源系統中的差分音頻線接收器

在專業音頻應用中常見的雙電源系統中，INA1650可以作為差分音頻線接收器，有效恢復受共模噪聲影響的差分音頻信號。通過合理選擇外部元件，如輸入和輸出電容、電阻等，可以實現良好的頻率響應、高CMRR和低THD+N性能。

2. 單電源應用中的差分線接收器

將COM和REF引腳連接到內部電源分配器的輸出 (V{MID(OUT) })，并在 (V{MJD(IN) }) 引腳添加1 - μF電容進行濾波，INA1650可以在單電源應用中穩定工作，實現差分音頻信號的接收和處理。

3. 用于減少接地環路噪聲的浮動單端輸入線接收器

在音頻系統中，接地環路會引入大量共模噪聲。INA165x可以通過電阻將同軸電纜的屏蔽層浮空，將接地噪聲作為共模信號處理，同時通過電容提供高頻接地路徑，以及使用瞬態電壓抑制器保護輸入引腳，有效減少接地環路噪聲的影響。

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用中，如音頻ADC和許多D類放大器設備，可以在INA1650的輸出端添加OPA1688音頻運算放大器，將單端輸出轉換為差分輸出，滿足不同設備的輸入要求。

5. 單電源應用中的TRS音頻接口

對于使用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，實現清晰的音頻信號傳輸。

6. 作為平衡音頻線驅動器

INA1650可以將單端信號轉換為平衡信號，用于線驅動器應用。通過隔離電阻和交流耦合電容的合理使用，可以保證電路的穩定性和信號質量。

六、電源與布局建議：確保穩定運行

1. 電源建議

INA165x可以在±2.25 V至±18 V的電源范圍內工作，并且電源電壓不需要相等。在實際應用中，可以根據具體需求設置正、負電源電壓，以滿足不同的輸出電壓擺幅要求。

2. 布局指南

為了確保設備的最佳性能，在PCB布局時需要遵循一些原則。例如，在每個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、低噪聲的系統參考點，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，以減少信號傳輸過程中的干擾；使用接地層和平面來屏蔽輸入信號走線，保持輸入走線長度相等且盡量短，并以差分對的形式布線，以降低信號干擾。

七、開發與文檔支持：助力設計過程

1. 開發支持

TI提供了TINA - TI?免費軟件下載，這是一款基于SPICE引擎的電路仿真程序，預加載了宏模型庫和各種無源、有源模型，能夠進行常規的直流、瞬態和頻域分析，還具備額外的設計功能。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、物料清單以及實測性能等信息，為工程師的設計提供了參考。

2. 文檔支持

相關文檔包括電路板布局技術等，同時提供了快速訪問技術文檔、支持和社區資源、工具和軟件以及訂購信息的鏈接。用戶還可以通過注冊接收文檔更新通知，及時了解產品的最新信息。

INA165x音頻線接收器憑借其卓越的性能和豐富的功能，為音頻設備的設計提供了強大的支持。在實際應用中，工程師們需要根據具體需求，合理選擇和應用這款產品，并注意應用設計要點和布局規范，以充分發揮其優勢，實現高質量的音頻信號處理。你在使用類似音頻處理器件時遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。