音频界的“降噪神器”——INA165x音频线接收器

在音频设备的设计中，如何高效、低噪地处理音频信号一直是工程师们面临的重要挑战。今天，我们就来深入探讨一款在音频信号处理领域表现卓越的产品——德州仪器（TI）的INA165x音频线接收器，包括双声道的INA1650和单声道的INA1651。

文件下载：ina1650.pdf

一、产品特性：集众多优势于一身

1. 高共模抑制比（CMRR）

INA165x的共模抑制比典型值高达91 dB，能够出色地抑制共模噪声，确保音频信号的纯净度。这一特性使得它在复杂的电磁环境中也能稳定工作，有效减少外界干扰对音频信号的影响。

2. 高输入阻抗与超低噪声

其差分输入阻抗达到1 MΩ，能够减少信号源的负载效应，保证信号的准确传输。同时，超低的输出电压噪声，在20 Hz至20 kHz范围内，无加权噪声仅为 -104.7 dBu，有效降低了背景噪声，让音频更加清晰纯净。

3. 超低总谐波失真 + 噪声（THD+N）

在22 dBu、22 - kHz带宽的条件下，THD+N低至 -120 dB，能够高度还原音频信号的原始特征，为用户带来高保真的听觉体验。

4. 宽带宽与低静态电流

2.7 MHz的宽带宽，使得INA165x能够处理高频音频信号，确保音频的丰富度和层次感。而INA1651的典型静态电流仅为6 mA，在保证高性能的同时，实现了低功耗设计。

5. 其他特性

集成的短路保护功能和EMI滤波器，增强了产品的稳定性和可靠性；±2.25 V至±18 V的宽电源范围，使其适用于多种电源环境；14引脚TSSOP的小型封装，节省了电路板空间，方便进行高密度设计。

二、应用场景：广泛覆盖音频领域

1. 音频接口与输入电路

在差分音频接口和音频输入电路中，INA165x能够有效抑制共模噪声，将差分音频信号转换为单端输出信号，为后续的音频处理提供高质量的输入。

2. 音频功率放大器与分析仪

在音频功率放大器中，它可以提高输入信号的质量，减少失真；在音频分析仪中，能够准确地采集和处理音频信号，为分析提供可靠的数据。

3. 高端音视频接收器

对于高端音视频（A/V）接收器，INA165x的高保真性能能够满足用户对高品质音视频体验的需求，确保音频信号的准确还原。

三、内部结构与工作原理：精妙设计保障性能

1. 音频信号路径

音频信号路径主要由输入偏置电阻、电磁干扰（EMI）滤波、输入缓冲器和差分放大器组成。输入缓冲器可以防止外部电阻影响内部电阻的精确匹配，保证高共模抑制性能；输入偏置电阻为缓冲放大器的偏置电流提供通路；EMI滤波则可以防止高频干扰信号进入音频信号路径。

2. 电源分配器

集成的电源分配器电路可以将输入共模电压和输出参考电压偏置到电源电压的中间点，其标称输出电压为 (V_{MID(OUT) }=frac{VCC+VEE}{2})。该电路由两个500 - kΩ电阻连接在VCC和VEE引脚之间，通过缓冲放大器提供低阻抗输出，为REF引脚提供稳定的偏置电压。

3. 电气过应力保护与热关断

内部的ESD保护电路通过电流转向二极管将输入和输出引脚与内部电源线路相连，防止静电放电对器件造成损坏。当输入信号电压超过电源电压0.3 V时，需要限制输入信号电流小于10 mA，以保护内部钳位二极管。同时，当结温超过约170ºC时，热关断电路会自动禁用放大器，待温度下降后再自动恢复，保护器件免受过热损坏。

四、应用设计要点：优化性能的关键

1. 输入共模范围

INA165x的线性输入电压范围从负电源电压内350 mV到正电源电压下2 V，在这个范围内能够保持至少85 dB的共模抑制比。对于不同的电源和 (V_{REF}) 配置，建议使用INA共模范围计算工具来确定共模范围。

2. 共模输入阻抗匹配

系统中的阻抗不匹配会降低共模抑制比。虽然INA165x对这种影响具有较强的抵抗力，但在COM引脚与系统地之间连接一个电阻 (R{COM}) 可以进一步提高CMRR性能。不过，在单电源系统中使用交流耦合电容时， (R{COM}) 可能会增加启动时间，需要根据实际情况进行选择。

3. 启动时间优化

在单电源应用中，内部电源分配器的滤波电容 (C{F}) 充电时间和交流耦合电容的充电时间会影响启动时间。可以通过在 (V{MID(IN) }) 引脚与正电源之间添加齐纳二极管来减少 (C_{F}) 的充电时间，同时合理选择交流耦合电容的大小，以平衡启动时间和音频性能。

4. 输入交流耦合

音频系统中通常采用交流耦合来避免直流电压的影响。电容值的选择需要根据所需的音频带宽来确定，同时要注意输入交流耦合电容的匹配问题，以防止CMRR性能下降。在可能的情况下，连接 (R_{COM}) 可以改善低频率下的CMRR性能。

5. 电源分配器电容负载

VMID(OUT)引脚在电容负载高达150 pF时是稳定的。如果连接的电容负载大于150 pF，则需要使用隔离电阻 (R_{ISO}) 来保证稳定性。同时，REF引脚必须直接连接到VMID(OUT)引脚，以避免影响CMRR性能。

五、典型应用案例：展现强大实力

1. 双电源系统中的差分音频线接收器

在专业音频应用中常见的双电源系统中，INA1650可以作为差分音频线接收器，有效恢复受共模噪声影响的差分音频信号。通过合理选择外部元件，如输入和输出电容、电阻等，可以实现良好的频率响应、高CMRR和低THD+N性能。

2. 单电源应用中的差分线接收器

将COM和REF引脚连接到内部电源分配器的输出 (V{MID(OUT) })，并在 (V{MJD(IN) }) 引脚添加1 - µF电容进行滤波，INA1650可以在单电源应用中稳定工作，实现差分音频信号的接收和处理。

3. 用于减少接地环路噪声的浮动单端输入线接收器

在音频系统中，接地环路会引入大量共模噪声。INA165x可以通过电阻将同轴电缆的屏蔽层浮空，将接地噪声作为共模信号处理，同时通过电容提供高频接地路径，以及使用瞬态电压抑制器保护输入引脚，有效减少接地环路噪声的影响。

4. 具有差分输出的单端线接收器电路

在需要差分输出的应用中，如音频ADC和许多D类放大器设备，可以在INA1650的输出端添加OPA1688音频运算放大器，将单端输出转换为差分输出，满足不同设备的输入要求。

5. 单电源应用中的TRS音频接口

对于使用TRS连接器的辅助音频输入，INA1650可以作为线接收器，去除套筒连接上的共模噪声，实现清晰的音频信号传输。

6. 作为平衡音频线驱动器

INA1650可以将单端信号转换为平衡信号，用于线驱动器应用。通过隔离电阻和交流耦合电容的合理使用，可以保证电路的稳定性和信号质量。

六、电源与布局建议：确保稳定运行

1. 电源建议

INA165x可以在±2.25 V至±18 V的电源范围内工作，并且电源电压不需要相等。在实际应用中，可以根据具体需求设置正、负电源电压，以满足不同的输出电压摆幅要求。

2. 布局指南

为了确保设备的最佳性能，在PCB布局时需要遵循一些原则。例如，在每个电源引脚与地之间连接低ESR的1.0 - µF和0.1 - µF陶瓷旁路电容，尽量靠近器件放置，以减少电源引脚引入的噪声；将REF引脚连接到低阻抗、低噪声的系统参考点，如模拟地或VMID(OUT)引脚，并且使用最短的走线；将外部元件尽量靠近器件放置，以减少信号传输过程中的干扰；使用接地层和平面来屏蔽输入信号走线，保持输入走线长度相等且尽量短，并以差分对的形式布线，以降低信号干扰。

七、开发与文档支持：助力设计过程

1. 开发支持

TI提供了TINA - TI™免费软件下载，这是一款基于SPICE引擎的电路仿真程序，预加载了宏模型库和各种无源、有源模型，能够进行常规的直流、瞬态和频域分析，还具备额外的设计功能。此外，TI Precision Designs提供了许多有用电路的理论分析、元件选择、仿真、完整的PCB原理图和布局、物料清单以及实测性能等信息，为工程师的设计提供了参考。

2. 文档支持

相关文档包括电路板布局技术等，同时提供了快速访问技术文档、支持和社区资源、工具和软件以及订购信息的链接。用户还可以通过注册接收文档更新通知，及时了解产品的最新信息。

INA165x音频线接收器凭借其卓越的性能和丰富的功能，为音频设备的设计提供了强大的支持。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求，合理选择和应用这款产品，并注意应用设计要点和布局规范，以充分发挥其优势，实现高质量的音频信号处理。你在使用类似音频处理器件时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。