耳机放大器中的噪音抑制详解

在五期系列博客的最后一期中，我将论述驱动耳机负载的运算放大器中的噪音以及一些降低噪音的技术。之前的文章论述了耳机负载功率、耳机阻抗以及耳机放大器的稳定性和失真原因。

通电或更改声频系统中的操作模式时，出现的令人厌烦的可听杂音通常被称为噪音。由于耳机驱动器的高效率，产生的噪音成为高保真耳机系统中的严重问题。甚至信号电压中较小的瞬态也会在耳机中产生很吵、令人厌烦的声音。为了改善用户体验并防止耳机或其它敏感电子设备损坏，很多系统使用电路学来抑制通电增加时放大器输出过程中产生的瞬态信号。

图 1：运算放大器驱动耳机负载

我们来看看运算放大器中噪音的常见来源。

图1是驱动耳机负载的运算放大器的简化框图。它包括两个级——一个增益级和一个输出缓冲器，以及一个补偿电容器、Cc和一个补偿电压，Vos。如图所示，输出缓冲器是一个单位增益级，能够吸收电流和提供电流。

噪音通常与运算放大器输出引脚处的瞬态有关。噪音的主要来源是：

Ÿ电源斜坡：通电时，VCC和VEE逐渐上升。在运算放大器到达其最低电源供应要求前，它尚未到达稳态运行，且不能调节输出。在此期间，输出引脚处会产生较大的瞬态。电源断开，VCC和VEE下降时可能伴随类似的瞬态，也可能造成VCC和VEE的不对称斜坡。

Ÿ 启用/禁用放大器：很多运算放大器包括启用和关闭设备的选项。启用命令会打开运算放大器的内部偏压电路。偏压电流上升时，增益级开始将补偿电容器充电到适当电压，输出缓冲器中的源电流和吸收电流开始稳定，运算放大器也接近稳态。在这个阶段，输出缓冲器中不相等的源电流和吸收电流会导致电流被注入负载中。这可能导致巨大的噪音。关闭命令后也会产生类似的瞬态。

Ÿ 放大器的补偿电压：补偿电压是噪音的一个有趣来源。放大器接近稳态后，放大器的输出跳到放大器的补偿上（或Vos/β，β=反馈系数）。如果补偿足够大，输出中的变化就能听到。

集成噪音抑制功能的放大器可显著地简化声频系统。OPA1622高性能耳机放大器包括一个在部件处于启用或关闭模式时抑制噪音的解决方案。图2是OPA1622的简化框图。

图 2：OPA1622框图

启用电路（ENC）可在放大器处于启用或关闭模式时保持对输入级和输出级的控制。启用后，ENC能够平稳地转换为驱动增益级和输出级。关闭后，ENC能够控制补偿电容器的充电，并禁用增益级和输出级。优化进出关闭模式的过渡，可确保极小的电流注入到耳机负载中，从而最大限度减少噪音。

在OPA1622开发期间，TI着重优化了补偿电压以及它导致的噪音。OPA1622的补偿电压是50µV典型，最高是500µV。

图3和图4分别显示了OPA1622在启用和禁用期间的性能。只有极小的输出瞬态会伴随启用或禁用的过程。输出瞬态发生的时间极短，因此使用耳机时听到的可能性不大。

图 3：启用高瞬态 （32Ω）时的输出电压

图 4：启用低瞬态 （32Ω）时的输出电压

有一些因素会影响驱动耳机的运算放大器的噪音性能。OPA1622通过使用一个噪音抑制电路，可提升声频应用中的整体用户体验。