高保真度 (HIFI) 音频产品介绍

大家下午好 我叫 Deric 谢 中文名叫谢栋 我是来自华南的 FAE 因为上海是属于华东的 我这次是特地过来讲一下一个 Hi-Fi 的一个音频运放 我们知道现在 Hi-Fi 比较火 所以的话我们专门设立的这个 topic 来给大家介绍一下 这个是我们一个 Hi-Fi 的一个音频产品 可以看到 OPA16XX 系列是 TI 性能最好的一个高精度运放 Hi-Fi 里面最关注的是什么指标呢 两个指标 一个是信噪比 一个是 THD 当然还会有一些附带的考虑 假设比如说它的供电电源范围 它的功耗 还有它的白滤、不影响听感这些 这些运放的话都是符合 Hi-Fi 的一些特性的运放 这个只是一个比较常用的一个运放 其实还有一些运放比较有名的 OPA20463 网上运放 还有一些 TPA6120 也是一个比较有名的运放 可以看到绿色跟红色，跟股票比较像 绿色比较便宜的 就是 OP1652/662 那些、 88 系列 那这些运放都比较便宜 那后面红色的话就到了一些运放级别比较高的 它的噪声跟 THD 指标非常之高 可以方便你设计 大家可以看到还有一个就是红色跟黑色的区别 红色的话是 Bipolar 晶体管级的运放 里面的工艺就是 Bipolar 级的 黑色的话是一种 FET/CMOS 级别的 这两种运放的差异就是 Bipolar 运放，我能做到很低的噪声跟 THD 那 FET 的话可能噪声会略逊一筹 但是 FET 的输入阻抗会比较高 对于一些前级的输出电流有限制的运放 我们一般会考虑用 FET 级别的 我跑过很多家这种做 Hi-Fi 的 他们对 FET 跟 Bipolar 有一种另外的认识 FET 的话是电压压控的 Bipolar 是电流型控制的 所以他们会觉得压控听感会比较好 因为不是开就是关 Bipolar 可能需要一些电流能力比较强的 它可能会影响一些听感 这个只是一些他们内部的一些讨论 其实 Hi-Fi 听感见仁见智 每个人想法都不太一样 不光大家知道就是以前的 Hi-Fi 只流行在那种很大的 可能二三十万的设备 像什么 OPPO 之前做的那些东西 Hi-Fi 特别贵 现在 Hi-Fi 慢慢有往便携式发展 像广州有一些像飞傲，还有那个手机上的一些 Hi-Fi 现在 Hi-Fi 的话慢慢的向便携式在发展 所以的话 TI 就会做一些小封装 DFN 封装的 便于在手机里使用的一些运放 前段时间也有人提出了在车载里面提出 Hi-Fi 他用了 TI 的一颗高性能的 DAC 加 TI 的运放 所以 TI 也会将一些运放应用在车载的一些安规上 能够过一些汽车的一些指标 运放通常都是差分输入，单端输出 某些场合可能需要差分输入，差分输出 就比如说我后级可能我的增益不够大 我可能需要差分信号来驱动 所以的话会有一些差分输入的运放 这个是一个音频运放的一个应用 很广就是可以分为专业音频、消费类音频 中间可能还有一些高端音频跟中端音频 怎么说呢 每一个消费就是每一个项里面他可能考虑的不太一样 比如说我专业音频我可能对价格敏感度比较低 我要求很高的性能 所以 OPA1612、1132 那些噪声在一点多的纳伏每赫兹开根号 像消费类的话可能就不需要那么高 但是手机上的话它现在也会选一些 OPA1612 因为它的封装会比较小 其次的话它的耗电能力会比较小 OPA1622 的话 这颗是 TI 的新一代的运放 可能会在今年的 7 月底 8 月初会有样片 量产可能是要到今年12月 这颗运放有什么好处呢 传统的运放就是一个正负电源供电 加一个正负极差分输入，再一个单端输出 那 OPA1622 相当于是为了解决客户做耳放的一些 pope 声的问题 所以我们在 1622 的相当于是在 1612 的基础上 我们加了一个 mute 功能 相当于是现在的方案都会在后级用一些继电器 或者是用一些 mute 电路来解决这个方案 现在的话如果有了 OPA1622 你就可以用它 mute 的功能来帮你防止 pope 声 那手机里的话通常会用模拟开关来防 pope 声 所以的话这颗，未来的话大家可以考虑一下 可以看一下 这个是我们 TI 在很多家已经量产的一些 Hi-Fi 的手机应用 北方的客户 还有南方的 还有就是东莞的 锤子是北方的 大家就是 2604 嘛也是一颗比较有名的 现在其实大部分还是主流的是 OPA1612 因为它的指标很高 飞傲的话是一家做便携式的 Hi-Fi 播放器的 这家的话其实基本上里面的整套方案都是 TI 的 包括 DAC 跟其他的 希望这张图片能够让大家都没有那么瞌睡 吊大家一个瘾 其实 TI 不光设计运放 那 TI 也会做一些参考电路设计 可以看到这个地方 TI 会做一些 Hi-Fi 高保真的扬声器 这个扬声器里面有三个电路 一个是对扬声器高低音喇叭的分频电路 另外一个是一个调音电路，有源调音电路 另一个的话就是它电源板在里面 所以的话这个这个是 demo 其实是今天是要展出的 后来由于某一些运输原因它没有带过来 所以就可能会晚一点会有 但是也不确定 这个的话就是一个 Hi-Fi 的就相当于电流型 DAC Hi-Fi 耳机的一个参考电路 等一下的话我会具体讲一些细节的 比如说里面的那些选型 还有一些设计里面的一些比如电阻、运放的一些选型 还有测试的一些数据 那这张的话就是一个整个一个测试 就相当于这个电路以后的一个测试报告 可以看到 其实 32Ω 跟 16Ω 比较通用的耳机 它的指标非常高 在输出功率在达到 10mW 或 20 mW 的时候 可能很多人会觉得可能 OPA1612 的输出电流能力不够大 其实的话我们其实试过市面上比较有名的那些 Hi-Fi 的耳机 其实一般来说十几二十毫瓦的功率就完全够用了 应该也完全推得动 所以没有必要去到输入电流能力要一两百毫安 我觉得是没有必要的 其次的话你输出电流能力大 会导致你运放的一个耗电会特别多 如果说你针对便携式应用的话 我会对耗电特别讲究 我们先看一下后面就是讲这个 电流型 DAC Hi-Fi 耳机放大器的参考设计 一般的 Hi-Fi 的播放器的话 输出供电都会考虑在 ±8V 为什么是±5V 呢 是因为这个参考设计是针对于手机来用的 那当然也有些客户会选择正负三点多伏 他也是会有考虑的 输出电流能力 20mA 每通道 我们的设计目标就是因为我要 Hi-Fi 所以我要尽可能的保证我输出的一个幅频响应能够是平的 相当于是怎么进怎么出 不会有很大的变化 所以我要求我的幅度响应会比较平坦 你要保证我整个的频率范围的相位不会有一些变化 那如果有相位变化 大家会发现听感上有些不一样 其次的话指标高是一方面的 因为现在 Hi-Fi 你要进 Hi-Fi 这个门指标是硬性指标 你指标达不到你不可能进 其次的话指标达到了以后才讲听感 你指标都不到的话 Hi-Fi 这个怎么说呢 其实我们大家可能就进不了这个门 那其次的话最大输出功率这个是 50mW 为什么这个地方特别大呢 就是因为 TI 它把 1612 进行了一个并联了 增加它的驱动能力 并不是说一定要并联 只是看每个客户对每个客户的要求 像手机的话一般有些客户会考虑并联 有些客户是那个单个 Hi-Fi player 的话它会考虑输出功率特别大 所以它基本上都会有很多级运放的并联 这边的话是它一个仿真值跟测得值，后面再看 这个音频的一个耳机放大器的一个参考电路主要分为这几个 一个是音频的 DAC 我们拿一个信号源跟输出阻抗来模拟 另一个是一个互阻抗放大器 是用来将电流型的 DAC 输出转化成电压信号 再下一组的话是将我的电压的信号转换成一个输出 相当于是后级输出 那这两颗就是并联输出来得到更大的电流 这两颗是用来做 iv 转换 这个只是一个通道 就可能是一个左耳 其实右耳是跟它一模一样 所以有些客户会用四颗芯片来实现一个 Hi-Fi 的一个应用 这是一个怎么说呢比较奢侈的 当然说指标也是最好的 这相当于是这些讲的是我们如何选 相当于说怎么样考虑每一级的一些性能 整个的 Hi-Fi 我刚才也讲了 比较重要的性能是它的一些性噪比跟它的一个 THD+N 那这两个比较关注的 其实这两个参数里面都会对噪声 是噪声对这两个参数都会有很大的影响 假设这一级的增益是 A1 但是后面那级的增益是A2 那整个系统的话 那整个系统的话 我一个噪声进入第一级系统 A1 输出以后 再进入第二次系统 A2输出 整个的噪声我可以写成这个公式 我为了让我的噪声更大 我为了让我的噪声最小 我们通常会让第一级的增益尽量大 第二级的增益尽量小 这样的话我的 GS1 就不在这个里面 所以对我噪声影响大 我可以把它搞大一点 那 GS2 在这里面而且是平方 在里面会影响我的底噪 所以我会让第一级的增益特别大 这也是一个考虑的因素 其次的话是我还要考虑 DAC 的输出电流能力 跟它的一个输出电压摆幅 因为我不能让它无限大 不能超过我的电源轨，这样会失真 所以的话这个是我的一个设计思想 后面的话就是我一个 DAC 的输出电流能力的计算 一般来说 DAC 的输出幅度一般在 0.078Vrms×√2 这个是跟 DAC 的供电有关 一般都是 3.3V 算出了这个电流以后 我会通过输出电压等于 Rf×iIN 这个公式来得到我的一个反馈电阻 反馈电阻就等于 Vout 去除以输出电流 我知道 DAC 最强的驱动能力电流就是 1.83mA 每个通道 然后的话我的输出摆幅 因为我刚刚前面讲的是 ±5V 供电的 但是我一般的运放可能达到它的电源轨的时候 一方面电源有纹波 我不想让电源纹波影响到我的性能 其次靠近电源轨也会有一些风险 一般可以看到运放的里面都会有这个指标 相当于是跟电源轨很近以后 我的一些各方面性能都会有牺牲 所以一般的运放都会选择 0.6V 作为一个边界 所以的话我是五伏去减去零点六伏去除以每个通道 我就得出了我的反馈电阻 反馈电阻的话就是我一级运放的这个位置 相当于是我这两个电阻已经选好了 这两个电阻选完以后 我就要选它一个滤波的一个电容 因为我要求我设计的时候 首先频率是平的 我的相位也不能有很大的偏差 所以的话我会通过这个公式 相位偏差我们可能会要求定义在 2.5°的相位角的偏差 我的频响的一个范围的话是 20Hz 所以我算出整个的一个截止频率范围的话 可能是在 45.8K 左右 那么我通过，因为 F=1/2πRC 我通过反过来计算的话 我就能算出我的一个电容值 那这个电容值的话就是反馈电阻 这样的话我把这两个反馈电阻也选好了 其次的话 因为我要保证运放的性能最好 所以我要求的话就是我进这个运放的偏置电压 跟进相当于是正负端电压是匹配的 这样的话会让我输出的底噪也会很小 这样的话 所以我要求输出的电压是零 这样的话不会影响我的一个整体性能 所以我会有这个公式得出来 最后算出一个 Vout 所以会看到会有这个电路 相当于是我拿 3.3V 电源给它供电 搞一个分压电阻来让它正负极的匹配 这样的话我们达到一个最好的性能 我们其实在有些客户那边也发现 如果这两级不匹配的话 它的底噪的影响的幅度大概是在十几到二十个微伏 但是这样对 Hi-Fi 其实也是影响比较大的 前面是 IV 转换这一部分的电压跟电阻跟电容的一个选择 后面的话就是一个首先是一个差分转单端 因为我耳机是单端驱动的 我不是差分驱动的 所以的话我需要先将 IV 转换的电压信号 变成一个单端输出信号 这一级的话一般的输出幅度也会有考虑 因为我也不能超过我的供电电源轨 其次的话我前面因为我已经有 RF 跟我输入电阻 输入电阻跟我的反馈电阻 这样我会得到这一级的一个输出电压 大概是在 5.71Vrms 这个值 通过一般的我后期输出的一个电压幅度 怎么说呢 每一家手机电压的输出幅度都不一样 三星苹果各个厂家输出的幅度都不一样 有些手机客户为了考虑保护客户的耳朵或者是做一些处理 一般都会选择在 1Vrms 以下 这个值的话只是一个 Hi-Fi 标准通用的 具体这个值是可以通过你自己的设计电路要求来确定这个值 这个只是作为一个例子 通过这样计算以后我就知道了第二级的一个增益 因为刚刚说了第一级增益要尽量大 第二级增益要尽量小来保证我的底噪尽量小 所以的话我通过这种计算来算出它这一级的增益 通过差分放大器的一个相当于是说 增益的话是等于 R2 去除以 R5 这样的话这个值的话是通过一个实验室测试的值 通过不同的去试，这样的话得出了一个大概 R5 和 R4 的值在 1.6K 然后 R2 跟 R11 是在 348Ω 的时候 这个时候它的性能是最佳的 所以就得到这个值 那算 C2 跟 C8 的考虑 其实跟前一级是一样的 也要保证我的相位不会有很大偏差 通过这种计算 我可以得到它的电容值大概在 820pF 左右 所以的话 我基本上把 IV 转换这一部分的电阻跟电容 差分转单端的那部分的电阻跟电容全部都做完了 那下一级的话就是两个运放的一个并联输出 并联输出的作用就是为了要增大驱动能力 这一级并联输出增加驱动能力，我们是这么考虑的 首先 我不想让这边的电流跟我这边的电流产生互相的影响 所以的话我要求我的 IDC 尽量的小 一般来说运放都会有一个指标叫 offset 电压 offset 的话 OPA1612 是最小的 OPA1602、1604 那些大概会在 1.5mV 我们选了一个比较大的值大概在 2mV 以最恶劣的情况来设计 2mV 那我们限定它的电流 因为我不想影响 所以我们要保证这两个电流尽量小 我们考虑用 100μA 这样的话可以得到我的 R6 跟 R8 的值就等于 20Ω 分摊到这两个地方的话 相当于是说我这边流过去 20Ω 这边流过去20Ω 这样的话平分就是 10Ω 其次的话由于我要保证整个系统的稳定性 可能不会在它的正极做一些补偿 这个补偿的话因为我不想影响它的一个幅度响应 所以的话我还会在输入级做一些处理，加一个 RC 滤波 相当于是做一些补偿 因为加补偿以后 我不希望它的增益的变化会影响比较大 所以的话我们就设定为 0.01dB 增益 那这样的话整个系统就是 0.998 左右 那看出来我的截止频率就是 416K 左右 通 RC 去计算 我们能得出 R10 跟 C9 这个是相当于这个地方是一个辅加的 如果你运放性能好 这个地方可以省略 刚刚是讲一些值的一些选择 那么其实在整个 Hi-Fi 的话 元器件选型也很重要 不光是它的一个运放的一个选型 其次的话是对它运放的一些外围选型也很重要 比如说它的电阻的精度 还有电容 通常会选择一些 C0G/NP0 的一种电容 这种电容的好处就是温度对我的影响比较小 其次的话我电容值会相当的稳定 也不会影响我的音频性能 其次的话 放大器的选择 由于在手机上的应用 所以供电电压是可能会 ±5V 不排除有 Hi-Fi 播放器的也会有各式各样的电压 所以可以看到 这里面的运放没有达到它的要求 要求每通道静态电容小于 5mA 就是因为我手机的电池可能只有两三千毫安时 如果每个通道特别大的话 可能我就让它待机就让它耗没了 所以现在手机客户有两种做法 一种是全 Hi-Fi 模式 相当于是我的手机只有 Hi-Fi 模式 它不使用普通模式 但是你会发现有些客户会有一些 Hi-Fi 模式 相当于是我平时不用的时候 我可能是用一些主平台自带的 codec 来做 那当我开启 Hi-Fi 模式的时候 我的耗电就特别大 当然这个是看客户的选择 根据电池容量大小选择的 当我对供电电源跟每通道电流做一个选择以后 第二个看的就是我的一个摆幅 因为我要达到我尽量大的摆幅 在我电源轨尽量小的情况下 通常这种相当于是每一颗运放 它相当于是接近电源轨的数据可能不太一样 有些是到达 0.6 左右的时候它才会比较烂 有些是可能一点多的时候就比较烂 所以的话根据每个运放的性能都会有一些表现的不同 OPA1612、0262的话 基本上电源轨在 5-0.6 或者 -5+0.6 的一个范围内都没有问题 一个是就相当于线性输出摆幅离电源轨的距离 另外一个的话是噪声 可以看到这些性能里面噪声最小的就是 OPA1612 这就是为什么那么多客户喜欢 OPA1612 的原因了 最后的话 我们要求它的 THD 尽量的小 并且能够提供足够大的电流来驱动我的耳机 这个就是一些线上的一些指标 但是这个指标的话只是参考 我们可以看一下 真正的一个电路测试跟实体耳机测试 可以看到 在 10mW 情况下 32.4Ω 的一个负载跟 16.2Ω 的一个负载 它的 THD 都会在 -100dB 以上 现在目前来说市面上的手机 它的 THD 其实并不是受运放的限制 它是受它后一级 mute 电路的限制 所以一般的市面上的手机的 THD+N 一般都是在 -103 左右 但是如果用了 OPA1622 那我后级可以省这个开关 我的指标能够更上一层了 这边是我能够到 -110 左右 如果你们做好的话 这个是一个实体的耳机限制 我们知道其实耳机并不是一个纯阻抗 它是一个电感电阻加一些寄生参数组成的一个东西 其实真正有些时候在电阻上的指标好 不代表他在耳机上的指标也很好 所以的话我们也做了一个耳机上的测试 可以看到这个值也相当好 这个就是一个大致的一个电流型 DAC 加上一个 Hi-Fi 耳机的一个放大器的一个参考设计 大致就是这些