深入解析PCM175x系列24位音頻數(shù)模轉換器

在音頻處理領域，數(shù)模轉換器（DAC）的性能對音質起著至關重要的作用。TI的PCM175x系列（PCM1753、PCM1754、PCM1755）24位、192-kHz采樣的增強型多級Delta-Sigma音頻DAC，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多音頻應用的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款DAC。

文件下載：pcm1755.pdf

一、PCM175x的特性亮點

高分辨率與出色模擬性能

PCM175x具備24位分辨率，能夠提供極其精確的音頻轉換。在模擬性能方面，當 (V_{CC}=5V) 時，動態(tài)范圍可達106dB，信噪比（SNR）典型值為106dB，總諧波失真加噪聲（THD+N）典型值為0.002%，滿量程輸出典型值為4 (VPP) 。這些參數(shù)表明它能夠還原出非常純凈、準確的音頻信號。

靈活的數(shù)字濾波

它采用4×或8×過采樣數(shù)字濾波器，阻帶衰減可達 -50dB，通帶波紋為 ±0.04dB。采樣頻率范圍從5kHz到200kHz，系統(tǒng)時鐘支持128 (fS) 、192 (fS) 、256 (fS) 、384 (fS) 、512 (fS) 、768 (fS) 、1152 (fS) ，并能自動檢測。這種靈活的配置可以適應不同的音頻應用需求。

豐富的控制功能

以PCM1754為例，它支持硬件控制，包括 (I^{2}S) 和16位字、右對齊的數(shù)據格式，具備44.1kHz數(shù)字去加重功能、軟靜音功能以及左右聲道公共輸出的零標志。

電源與封裝優(yōu)勢

PCM175x采用5V單電源供電，簡化了電源設計。同時，它采用小型16引腳SSOP封裝，并且是無鉛的，適合對空間和環(huán)保有要求的應用。

二、應用場景廣泛

PCM175x適用于多種音頻應用場景，如A/V接收器、HDTV接收器、汽車音頻系統(tǒng)以及需要24位音頻的應用。在這些場景中，它能夠提供高質量的音頻轉換，滿足用戶對音質的需求。

三、技術架構與工作原理

增強型Delta-Sigma架構

PCM175x基于TI的增強型Delta-Sigma架構，采用4階噪聲整形和8級幅度量化，實現(xiàn)了出色的動態(tài)性能和更好的時鐘抖動容限。這種架構能夠有效降低量化噪聲，提高音頻信號的質量。

音頻接口與數(shù)據格式

它的音頻串行接口由一個3線同步串行端口組成，包括LRCK、BCK和DATA引腳。支持多種音頻數(shù)據格式，如PCM1753支持右對齊、 (I^{2}S) 和左對齊等行業(yè)標準格式，PCM1754支持 (I^{2}S) 和16位字右對齊格式。數(shù)據格式的靈活性使得它能夠與各種音頻DSP和解碼器芯片輕松接口。

零標志功能

PCM175x具有零標志功能，當某個聲道的數(shù)據在1024個采樣周期內保持為0時，相應的零標志引腳會置為邏輯1狀態(tài)。這個功能可以用于操作外部靜音電路或作為微控制器、音頻信號處理器等的狀態(tài)指示。

四、設計要點與注意事項

電源設計

為了保證PCM175x的性能，建議使用4.5V至5.5V的干凈電源，并使用高質量的去耦電容來降低噪聲。對于數(shù)字和模擬部分，推薦使用獨立的電源，以防止數(shù)字開關噪聲對模擬電源的干擾。如果需要使用公共5V電源，應在模擬和數(shù)字5V電源連接之間放置電感（如RF扼流圈、鐵氧體磁珠）。

布局設計

在PCB布局方面，建議使用接地平面，并通過分割或切割電路板來隔離模擬和數(shù)字部分。PCM175x的數(shù)字I/O引腳應朝向接地平面的分割處，以實現(xiàn)與數(shù)字音頻接口和控制信號的短而直接的連接。

濾波器設計

Delta-Sigma D/A轉換器會產生帶外噪聲，因此需要結合片上和外部低通濾波來提供最佳的轉換器性能。推薦使用二階巴特沃斯濾波器的多反饋（MFB）電路結構，這種結構對無源元件的變化在頻率和溫度方面的敏感性較低。同時，建議使用高質量的音頻運算放大器，如TI的OPA2353和OPA2134。

五、測試與評估

THD+N測試

總諧波失真加噪聲（THD+N）是音頻D/A轉換器的重要指標。對于PCM175x，測試時使用滿量程、1kHz的數(shù)字正弦波作為測試激勵，通過測量DAC輸出的模擬信號來評估THD+N。

動態(tài)范圍測試

動態(tài)范圍通過測量 -60dB滿量程、1kHz的數(shù)字正弦波激勵下的A加權THD+N來確定。這個測試可以評估DAC在低電平輸入信號下的性能。

信噪比（SNR）測試

SNR測試用于測量D/A轉換器的本底噪聲。測試時，輸入全0數(shù)據，并禁用數(shù)字發(fā)生器的抖動功能，以確保輸入為全0數(shù)據流。

六、總結

PCM175x系列24位音頻數(shù)模轉換器以其出色的性能、豐富的功能和靈活的配置，為音頻設計工程師提供了一個強大的工具。在設計過程中，合理的電源設計、布局設計和濾波器設計是保證其性能的關鍵。通過正確的測試和評估方法，可以確保PCM175x在實際應用中發(fā)揮出最佳效果。你在使用PCM175x的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。