耳機(jī)放大器中的噪音抑制詳解

在五期系列博客的最后一期中，我將論述驅(qū)動(dòng)耳機(jī)負(fù)載的運(yùn)算放大器中的噪音以及一些降低噪音的技術(shù)。之前的文章論述了耳機(jī)負(fù)載功率、耳機(jī)阻抗以及耳機(jī)放大器的穩(wěn)定性和失真原因。

通電或更改聲頻系統(tǒng)中的操作模式時(shí)，出現(xiàn)的令人厭煩的可聽雜音通常被稱為噪音。由于耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的高效率，產(chǎn)生的噪音成為高保真耳機(jī)系統(tǒng)中的嚴(yán)重問(wèn)題。甚至信號(hào)電壓中較小的瞬態(tài)也會(huì)在耳機(jī)中產(chǎn)生很吵、令人厭煩的聲音。為了改善用戶體驗(yàn)并防止耳機(jī)或其它敏感電子設(shè)備損壞，很多系統(tǒng)使用電路學(xué)來(lái)抑制通電增加時(shí)放大器輸出過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)信號(hào)。

圖 1：運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)耳機(jī)負(fù)載

我們來(lái)看看運(yùn)算放大器中噪音的常見來(lái)源。

圖1是驅(qū)動(dòng)耳機(jī)負(fù)載的運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化框圖。它包括兩個(gè)級(jí)——一個(gè)增益級(jí)和一個(gè)輸出緩沖器，以及一個(gè)補(bǔ)償電容器、Cc和一個(gè)補(bǔ)償電壓，Vos。如圖所示，輸出緩沖器是一個(gè)單位增益級(jí)，能夠吸收電流和提供電流。

噪音通常與運(yùn)算放大器輸出引腳處的瞬態(tài)有關(guān)。噪音的主要來(lái)源是：

? 電源斜坡：通電時(shí)，VCC和VEE逐漸上升。在運(yùn)算放大器到達(dá)其最低電源供應(yīng)要求前，它尚未到達(dá)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，且不能調(diào)節(jié)輸出。在此期間，輸出引腳處會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)。電源斷開，VCC和VEE下降時(shí)可能伴隨類似的瞬態(tài)，也可能造成VCC和VEE的不對(duì)稱斜坡。

? 啟用/禁用放大器：很多運(yùn)算放大器包括啟用和關(guān)閉設(shè)備的選項(xiàng)。啟用命令會(huì)打開運(yùn)算放大器的內(nèi)部偏壓電路。偏壓電流上升時(shí)，增益級(jí)開始將補(bǔ)償電容器充電到適當(dāng)電壓，輸出緩沖器中的源電流和吸收電流開始穩(wěn)定，運(yùn)算放大器也接近穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)階段，輸出緩沖器中不相等的源電流和吸收電流會(huì)導(dǎo)致電流被注入負(fù)載中。這可能導(dǎo)致巨大的噪音。關(guān)閉命令后也會(huì)產(chǎn)生類似的瞬態(tài)。

? 放大器的補(bǔ)償電壓：補(bǔ)償電壓是噪音的一個(gè)有趣來(lái)源。放大器接近穩(wěn)態(tài)后，放大器的輸出跳到放大器的補(bǔ)償上（或Vos/β，β=反饋系數(shù)）。如果補(bǔ)償足夠大，輸出中的變化就能聽到。

集成噪音抑制功能的放大器可顯著地簡(jiǎn)化聲頻系統(tǒng)。OPA1622高性能耳機(jī)放大器包括一個(gè)在部件處于啟用或關(guān)閉模式時(shí)抑制噪音的解決方案。圖2是OPA1622的簡(jiǎn)化框圖。

圖 2：OPA1622框圖

啟用電路（ENC）可在放大器處于啟用或關(guān)閉模式時(shí)保持對(duì)輸入級(jí)和輸出級(jí)的控制。啟用后，ENC能夠平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)增益級(jí)和輸出級(jí)。關(guān)閉后，ENC能夠控制補(bǔ)償電容器的充電，并禁用增益級(jí)和輸出級(jí)。優(yōu)化進(jìn)出關(guān)閉模式的過(guò)渡，可確保極小的電流注入到耳機(jī)負(fù)載中，從而最大限度減少噪音。

在OPA1622開發(fā)期間，TI著重優(yōu)化了補(bǔ)償電壓以及它導(dǎo)致的噪音。OPA1622的補(bǔ)償電壓是50μV典型，最高是500μV。

圖3和圖4分別顯示了OPA1622在啟用和禁用期間的性能。只有極小的輸出瞬態(tài)會(huì)伴隨啟用或禁用的過(guò)程。輸出瞬態(tài)發(fā)生的時(shí)間極短，因此使用耳機(jī)時(shí)聽到的可能性不大。

圖 3：?jiǎn)⒂酶咚矐B(tài) （32Ω）時(shí)的輸出電壓

圖 4：?jiǎn)⒂玫退矐B(tài) （32Ω）時(shí)的輸出電壓

有一些因素會(huì)影響驅(qū)動(dòng)耳機(jī)的運(yùn)算放大器的噪音性能。OPA1622通過(guò)使用一個(gè)噪音抑制電路，可提升聲頻應(yīng)用中的整體用戶體驗(yàn)。