DS90UA101-Q1：汽車級多通道數(shù)字音頻鏈路的理想之選

作為一名電子工程師，在硬件設(shè)計開發(fā)的道路上，我們總是在不斷尋找能提升性能、簡化設(shè)計的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。最近，我深入研究了德州儀器（TI）的DS90UA101-Q1多通道數(shù)字音頻鏈路，發(fā)現(xiàn)它在汽車音頻系統(tǒng)等領(lǐng)域有著出色的表現(xiàn)，下面就和大家分享一下我的研究心得。

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特性與概述

DS90UA101-Q1是一款滿足汽車級標(biāo)準(zhǔn)（AEC - Q100 Grade 2）的數(shù)字音頻串行器，其工作溫度范圍為-40°C至105°C，能適應(yīng)復(fù)雜的汽車環(huán)境。它具備眾多令人矚目的特性：

1. 靈活的音頻輸入：支持I2S（立體聲）或TDM（多通道）格式的數(shù)字音頻輸入，可滿足不同音頻系統(tǒng)的需求。
2. 高速串行輸出：通過同軸或單差分對互連，實現(xiàn)高速串行輸出接口，傳輸效率高。
3. 極低延遲：延遲小于15μs，確保音頻傳輸?shù)膶崟r性。
4. 雙向控制接口：帶有與I2C兼容的串行控制總線，方便進(jìn)行設(shè)備配置和通信。
5. 多通道支持：最多支持8個立體聲I2S或TDM音頻輸入。
6. 寬時鐘范圍：支持10MHz至50MHz的音頻系統(tǒng)時鐘。
7. 單電源供電：采用單1.8V電源供電，簡化了電源設(shè)計。
8. 靈活的I/O接口：I/O接口支持1.8V或3.3V，可根據(jù)系統(tǒng)需求靈活配置。
9. 長距離傳輸：支持AC耦合的STP或同軸電纜，傳輸距離可達(dá)15m。
10. 數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)采用直流平衡和加擾處理，并嵌入時鐘，提高了信號質(zhì)量和抗干擾能力。

引腳功能詳解

DS90UA101-Q1的引腳功能豐富多樣，不同的引腳承擔(dān)著不同的任務(wù)，下面為大家逐一介紹：

數(shù)字音頻接口

• SCK（3腳）：系統(tǒng)時鐘輸入，前向通道音頻數(shù)據(jù)由此引腳提供時鐘。
• LRCK（2腳）：字時鐘輸入。
• BCK（1腳）：位時鐘輸入。
• DIN[7:0]（23、24、26、27、29、30、31、32腳）：數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸入，每個輸入可以是I2S、TDM等格式。

LVCMOS并行接口

• GPI[3:0]（19、20、21、22腳）：通用輸入。
• GPO[3:0]（15、16、17、18腳）：通用輸出。

控制與配置

• SCL（4腳）：I2C時鐘線，需外部上拉至VDDIo。
• SDA（5腳）：I2C數(shù)據(jù)輸入/輸出線，同樣需外部上拉至VDDIo。
• IDx（6腳）：用于設(shè)置設(shè)備的I2C地址。
• SET（8腳）：設(shè)備設(shè)置引腳，需連接外部上拉和下拉電阻。

電源與接地

• VDDPLL（10腳）：1.8V（±5%）PLL電源。
• VDDT（11腳）：1.8V（±5%）模擬核心電源。
• VDDCML（14腳）：1.8V（±5%）CML驅(qū)動電源。
• VDDIO（25腳）：LVCMOS I/O電源，可選擇1.8V（±5%）或3.3V（±10%）。
• VDDD（28腳）：1.8V（±5%）數(shù)字電源。
• GND（DAP）：位于LLP封裝底部中心的大金屬觸點，需通過至少9個過孔連接到地平面。

其他引腳

• RESO（7腳）：保留引腳，需連接到地。

串行接口

• DOUT+（13腳）：真串行接口輸出，需通過0.1μF電容進(jìn)行交流耦合。
• DOUT -（12腳）：反相串行接口輸出，同樣需通過0.1μF電容進(jìn)行交流耦合。

電氣特性與性能指標(biāo)

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。DS90UA101-Q1的絕對最大額定值包括：

• 電源電壓：VDDn（1.8V）為 - 0.3V至 + 2.5V，VDDIO為 - 0.3V至 + 4.0V。
• LVCMOS I/O電壓： - 0.3V至 +（VDDIO + 0.3V）。
• CML驅(qū)動I/O電壓： - 0.3V至 +（VDDCML + 0.3V）。
• 結(jié)溫： + 150°C。
• 存儲溫度： - 65°C至 + 150°C。

推薦工作條件

在實際應(yīng)用中，為了保證器件性能的穩(wěn)定性，我們需要遵循推薦工作條件。DS90UA101-Q1的推薦工作條件如下：

• 電源電壓：VDDn為1.71V至1.89V，LVCMOS電源電壓（VDDIO）可選擇1.71V至1.89V或3.0V至3.6V。
• 電源噪聲：VDDn（1.8V）和VDDIO（1.8V）的電源噪聲為25mVp - p，VDDIO（3.3V）的電源噪聲為50mVp - p。
• 工作溫度： - 40°C至 + 105°C。
• SCK時鐘頻率：STP電纜為10MHz至50MHz，同軸電纜為25MHz至50MHz。

電氣特性參數(shù)

文檔中還詳細(xì)列出了各種電氣特性參數(shù)，如LVCMOS直流規(guī)格、CML驅(qū)動直流規(guī)格、電源電流等。例如，LVCMOS輸入的高電平輸入電壓（VIH）和低電平輸入電壓（VIL）在不同的電源電壓下有不同的取值范圍；CML驅(qū)動輸出的差分電壓（IVool）典型值為340mV等。這些參數(shù)為我們進(jìn)行電路設(shè)計和性能評估提供了重要依據(jù)。

功能描述與應(yīng)用

芯片組功能

DS90UA101-Q1通常與DS90UA102-Q1解串器配合使用，構(gòu)成完整的數(shù)字音頻傳輸解決方案。該芯片組可將數(shù)字音頻源與遠(yuǎn)程音頻轉(zhuǎn)換器和DSP連接起來，支持10MHz至50MHz的參考時鐘。DS90UA101-Q1將最多8個音頻輸入、4個通用輸入以及雙向控制通道數(shù)據(jù)串行化到單個高速差分對或單端同軸電纜上，而DS90UA102-Q1則將接收到的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換回數(shù)字音頻輸出、控制通道數(shù)據(jù)和通用輸出。

控制通道功能

芯片組的雙向控制通道功能實現(xiàn)了鏈路兩端設(shè)備之間的雙向通信，例如數(shù)字信號處理器（DSP）和音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）之間的通信。通過I2C端口，可對雙向控制通道總線進(jìn)行控制，無需額外的編程和控制線，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

傳輸媒體

DS90UA101-Q1/DS90UA102-Q1芯片組適用于通過屏蔽雙絞線（STP）或同軸電纜的點對點數(shù)據(jù)鏈路。串行器和解串器提供內(nèi)部終端，以最小化阻抗不連續(xù)性。電纜和連接器的差分阻抗應(yīng)為100Ω，單端阻抗應(yīng)為50Ω。電纜的最大長度取決于電纜質(zhì)量、連接器、電路板和電氣環(huán)境等因素。

音頻系統(tǒng)時鐘操作

芯片組以數(shù)字音頻源的音頻系統(tǒng)時鐘（SCK）作為參考時鐘進(jìn)行操作。音頻數(shù)據(jù)、LRCK和BCK輸入通過SCK時鐘進(jìn)入串行器，同時最多4個GPI輸入也會被采樣并與數(shù)字音頻輸入一起傳輸。當(dāng)SCK空閑或缺失時，串行器會切換到內(nèi)部參考時鐘，其頻率可通過設(shè)備控制寄存器進(jìn)行選擇。

串行幀格式與音頻格式

• 串行幀格式：高速前向通道由28位數(shù)據(jù)組成，包含數(shù)字音頻數(shù)據(jù)、同步信號、I2C和奇偶校驗位。數(shù)據(jù)經(jīng)過隨機(jī)化、平衡和加擾處理，以優(yōu)化在交流耦合鏈路上的信號傳輸。雙向控制通道數(shù)據(jù)與高速前向數(shù)據(jù)一起在單條串行鏈路上傳輸，提供了全雙工、低速控制路徑。
• 音頻格式：支持多種串行音頻格式，如I2S格式、左對齊格式、右對齊格式和TDM格式。不同的音頻格式在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序和對齊方式上有所不同，我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

錯誤檢測與I2C功能

• 錯誤檢測：芯片組提供錯誤檢測功能，可對雙向控制通道數(shù)據(jù)和并行音頻/同步數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。前向通道使用1位奇偶校驗位，后向通道使用4位CRC位進(jìn)行錯誤檢測。檢測到的錯誤數(shù)量會分別存儲在串行器和解串器的兩個8位寄存器中。
• I2C功能：I2C兼容接口允許通過雙向控制通道對串行器、解串器或外部遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行編程。I2C總線數(shù)據(jù)速率支持高達(dá)400kbps的快速模式，通過SCL和SDA線進(jìn)行寄存器編程事務(wù)。

I2C相關(guān)特性

• IDx地址解碼器：串行器上的IDx引腳用于解碼和設(shè)置I2C地址，通過連接不同的電阻值可設(shè)置6種可能的I2C地址。
• I2C透傳：I2C透傳功能允許訪問串行接口另一端的遠(yuǎn)程設(shè)備。通過配置相關(guān)寄存器，可實現(xiàn)對遠(yuǎn)程串行器、解串器或遠(yuǎn)程從設(shè)備的訪問。
• 多設(shè)備尋址：為了支持在同一I2C總線上訪問具有相同固定地址的多個設(shè)備，芯片組提供了從設(shè)備ID別名功能。通過編程從設(shè)備別名ID寄存器，可獨立尋址具有相同I2C地址的從設(shè)備。
• 從設(shè)備時鐘拉伸：為了與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行通信和同步，芯片組在數(shù)據(jù)傳輸期間利用總線時鐘拉伸（將SCL線拉低）。I2C主設(shè)備必須支持從設(shè)備時鐘拉伸才能與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行通信。

其他功能

• 通用輸入輸出：DS90UA101-Q1有4個專用通用輸入（GPIs），DS90UA102-Q1有4個專用通用輸出（GPOs）。此外，DS90UA101-Q1還有4個GPOs，DS90UA102-Q1有4個GPIOs，可實現(xiàn)靈活的控制和數(shù)據(jù)傳輸。
• LVCMOS VDDIO選項：串行器的輸入可配置為1.8V或3.3V，以兼容不同的系統(tǒng)接口。
• 電源管理：通過PDB引腳可控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉。當(dāng)PDB為高電平時，設(shè)備激活；為低電平時，設(shè)備進(jìn)入掉電狀態(tài)，控制寄存器配置恢復(fù)為默認(rèn)值。
• SCK時鐘邊緣選擇：TRFB寄存器可選擇輸入時鐘的哪個邊緣用于鎖存輸入數(shù)據(jù)，可根據(jù)具體需求進(jìn)行配置。
• 內(nèi)置自測試（BIST）：可選的全速內(nèi)置自測試功能可用于測試高速串行鏈路和低速后向通道，在原型階段、設(shè)備生產(chǎn)和系統(tǒng)診斷中非常有用。

應(yīng)用信息與設(shè)計考慮

AC耦合

SER/DES僅支持通過集成的直流平衡編碼方案進(jìn)行交流耦合互連。在應(yīng)用中，需要在串行接口信號路徑上串聯(lián)外部交流耦合電容。對于STP電纜，需要在兩個輸出（DOUT +、DOUT -）上使用0.1μF的耦合電容；對于單端50Ω同軸電纜，需要在真串行接口輸出（DOUT +）上使用0.1μF的電容，未使用的數(shù)據(jù)引腳（DOUT -）需要通過0.047μF電容耦合到50Ω電阻接地。

典型應(yīng)用連接

典型應(yīng)用連接圖展示了DS90UA101-Q1串行器的連接方式。串行接口輸出必須連接外部0.1μF耦合電容，串行器具有內(nèi)部終端。電源引腳附近應(yīng)放置旁路電容，并使用鐵氧體磁珠進(jìn)行有效的噪聲抑制。數(shù)字音頻電氣接口為LVCMOS格式，VDDIO引腳可連接到3.3V或1.8V，設(shè)備I2C地址選擇通過IDx引腳進(jìn)行配置。

PCB布局和電源系統(tǒng)考慮

在PCB布局和電源系統(tǒng)設(shè)計中，需要注意以下幾點：

• 低噪聲電源：設(shè)計電路布局和堆疊時，應(yīng)為設(shè)備提供低噪聲電源。
• 信號隔離：將高頻或高電平輸入輸出分開，以減少雜散噪聲拾取、反饋和干擾。
• 電源平面：使用薄電介質(zhì)（2至4密耳）的電源/接地夾層，可提高電源系統(tǒng)性能。
• 旁路電容：外部旁路電容應(yīng)包括RF陶瓷和鉭電解電容，推薦使用表面貼裝電容，并將較小值的電容靠近引腳放置。
• 多層板設(shè)計：建議使用至少四層板，包含電源和接地平面，并將LVCMOS信號遠(yuǎn)離差分線。
• 互連準(zhǔn)則：使用100Ω耦合差分對，遵循S/2S/3S規(guī)則進(jìn)行間距設(shè)計，盡量減少過孔數(shù)量，使用差分連接器，保持走線平衡，最小化線對內(nèi)的偏斜。

封裝信息

文檔提供了DS90UA101-Q1的多種封裝選項，包括不同的訂購編號、封裝類型、引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、載體、RoHS合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL評級/峰值回流溫度、工作溫度和零件標(biāo)記等信息。同時，還給出了封裝的尺寸圖、磁帶和卷軸信息、示例電路板布局、示例模板設(shè)計等詳細(xì)內(nèi)容。

總結(jié)

DS90UA101-Q1是一款功能強(qiáng)大、性能出色的汽車級數(shù)字音頻串行器，它在音頻傳輸、控制通道通信、錯誤檢測等方面都有著優(yōu)秀的表現(xiàn)。其豐富的特性和靈活的配置選項，為我們在汽車信息娛樂系統(tǒng)、主動降噪系統(tǒng)、分布式多通道音頻系統(tǒng)等應(yīng)用中提供了可靠的解決方案。在實際設(shè)計過程中，我們需要充分了解其引腳功能、電氣特性和應(yīng)用要求，合理進(jìn)行PCB布局和電源系統(tǒng)設(shè)計，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用過程中有沒有遇到過什么問題呢？歡迎一起討論交流。