DSD1608：8通道增強(qiáng)型多格式Delta - Sigma數(shù)模轉(zhuǎn)換器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

引言

在音頻處理領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的性能對(duì)音頻質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。Texas Instruments的DSD1608作為一款8通道、增強(qiáng)型多格式的Delta - Sigma數(shù)模轉(zhuǎn)換器，支持DSD和PCM兩種音頻數(shù)據(jù)格式，為音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了更多的靈活性和高性能表現(xiàn)。本文將詳細(xì)介紹DSD1608的特性、電氣參數(shù)、接口功能以及應(yīng)用信息，幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

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產(chǎn)品特性概述

多格式支持

DSD1608支持DSD和PCM兩種音頻數(shù)據(jù)格式，同時(shí)還支持TDMCA格式，能夠適應(yīng)不同的音頻系統(tǒng)需求。對(duì)于PCM格式，它可以接受16、18、20和24位的音頻數(shù)據(jù)，滿足了不同精度的音頻處理要求。

出色的模擬性能

在 (V{CC}=5V) 的條件下，DSD1608展現(xiàn)出了優(yōu)秀的模擬性能。其動(dòng)態(tài)范圍典型值達(dá)到108dB，信噪比（SNR）典型值也為108dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）典型值僅為0.0012%，全量程輸出典型值為 (4V{pp}) 。這些參數(shù)保證了高質(zhì)量的音頻輸出。

數(shù)字濾波器功能

• PCM格式濾波器：包含8倍過采樣數(shù)字濾波器，阻帶衰減達(dá)到 - 60dB，通帶波紋為 ± 0.02dB，能夠有效濾除不必要的信號(hào)，提高音頻質(zhì)量。
• DSD格式濾波器：配備數(shù)字DSD濾波器，有三種可選的頻率響應(yīng)曲線，通帶在 - 3dB時(shí)分別為50kHz、70kHz和60kHz。

靈活的工作模式

• 采樣頻率：PCM模式下采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，DSD模式下為 (64×44.1kHz) 。
• 系統(tǒng)時(shí)鐘：支持128 (f{S}) 、192 (f{S}) 、256 (f{S}) 、384 (f{S}) 、512 (f{S}) 和768 (f{S}) 多種系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。
• 數(shù)據(jù)格式：PCM模式支持標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對(duì)齊三種數(shù)據(jù)格式，DSD模式支持直接流數(shù)字（DSD）格式。

用戶可編程功能

通過4線串行控制端口，用戶可以對(duì)DSD1608進(jìn)行多種可編程設(shè)置，包括數(shù)字衰減、數(shù)字去加重、數(shù)字濾波器滾降（銳或慢）、軟靜音以及三個(gè)零標(biāo)志等功能。

雙電源供電

采用5V模擬電源和3.3V數(shù)字電源供電，這種雙電源設(shè)計(jì)有助于降低數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，提高音頻性能。

封裝形式

DSD1608采用52引腳的TQFP封裝，方便進(jìn)行PCB布局和焊接。

電氣特性詳解

分辨率和數(shù)據(jù)格式

• 分辨率：達(dá)到24位，能夠提供高精度的音頻轉(zhuǎn)換。
• PCM模式數(shù)據(jù)格式：支持標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對(duì)齊三種接口格式，音頻數(shù)據(jù)位長可在16、18、20和24位之間選擇，數(shù)據(jù)采用MSB優(yōu)先、2的補(bǔ)碼形式。采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率有多種可選。
• DSD模式數(shù)據(jù)格式：支持直接流數(shù)字（DSD）接口格式，音頻數(shù)據(jù)位長為1位，采樣頻率為 (64×44.1kHz) ，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率也有多種選擇。

數(shù)字輸入/輸出特性

• 邏輯電平：輸入邏輯電平與TTL兼容，輸出邏輯電平滿足一定的高低電平要求。
• 輸入輸出電流：在不同的輸入電壓條件下，輸入輸出電流有相應(yīng)的規(guī)定，以保證芯片的正常工作。

動(dòng)態(tài)性能

• PCM模式：在不同的采樣頻率下，THD + N、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和通道分離度等參數(shù)表現(xiàn)良好。例如，在 (f_{S}=44.1kHz) 時(shí)，THD + N典型值為0.0012%，動(dòng)態(tài)范圍和信噪比典型值均為108dB。
• DSD模式：在 (f_{S}=64×44.1kHz) 時(shí)，THD + N典型值為0.0012%，動(dòng)態(tài)范圍和信噪比典型值也為108dB。

直流精度

包括增益誤差、通道間增益失配和雙極零誤差等參數(shù)，保證了音頻輸出的準(zhǔn)確性。

模擬輸出特性

輸出電壓中心電壓為 (V{CC}) 的50%，滿量程輸出為 (V{CC}) 的80%，負(fù)載阻抗為4kΩ，能夠驅(qū)動(dòng)一定的負(fù)載。

數(shù)字濾波器性能

• 8倍插值濾波器：有銳滾降和慢滾降兩種類型，分別具有不同的通帶和阻帶特性以及延遲時(shí)間。
• 去加重濾波器：在PCM模式下，去加重誤差在特定采樣頻率下為 ± 0.1dB。
• DSD濾波器：三種DSD濾波器在 - 3dB通帶和100kHz阻帶衰減方面有不同的表現(xiàn)。
• 內(nèi)部模擬濾波器：在不同頻率下有相應(yīng)的頻率響應(yīng)特性。

電源要求

• 電壓范圍：VDD電壓范圍為3V至3.6V，典型值為3.3V；VCC電壓范圍為4.5V至5.5V，典型值為5V。
• 電源電流和功耗：在不同的采樣頻率和工作模式下，電源電流和功耗有所不同。

溫度范圍

工作溫度范圍為 - 25°C至85°C，熱阻為70°C/W。

引腳分配與功能

DSD1608的引腳分配明確，不同的引腳具有不同的功能，包括模擬地（AGND）、數(shù)字地（DGND）、音頻數(shù)據(jù)輸入輸出（DSD、PDATA）、時(shí)鐘輸入（DBCK、DSCK、PBCK、PLRCK、PSCK）、模式控制（MC、MDI、MDO、MS）、復(fù)位（RST）、電源（VCC、VDD）和輸出（VOUT）等引腳。每個(gè)引腳的功能和電氣特性在數(shù)據(jù)手冊(cè)中有詳細(xì)說明，工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要根據(jù)這些信息進(jìn)行正確的連接。

典型性能曲線分析

數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了多種典型性能曲線，包括數(shù)字濾波器在PCM模式和DSD模式下的頻率響應(yīng)曲線、去加重曲線、模擬動(dòng)態(tài)性能隨電源電壓和溫度變化的曲線等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解DSD1608在不同條件下的性能表現(xiàn)，從而進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整。

系統(tǒng)時(shí)鐘與復(fù)位功能

系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

DSD1608需要系統(tǒng)時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)數(shù)字插值濾波器、數(shù)字DSD濾波器和多級(jí)Delta - Sigma調(diào)制器。在PCM模式下，系統(tǒng)時(shí)鐘輸入到PSCK引腳；在DSD模式下，根據(jù)CKCE位的設(shè)置，系統(tǒng)時(shí)鐘可以輸入到DSCK或PSCK引腳。不同的音頻采樣頻率對(duì)應(yīng)著不同的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，工程師需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的時(shí)鐘源。為了獲得最佳性能，建議使用低相位抖動(dòng)和噪聲的時(shí)鐘源，如Texas Instruments的PLL1700多時(shí)鐘發(fā)生器。

電源上電和外部復(fù)位功能

• 電源上電復(fù)位：當(dāng) (V_{DD}>2V) 時(shí)，電源上電復(fù)位功能啟用，初始化序列需要1024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，之后DSD1608進(jìn)入復(fù)位默認(rèn)狀態(tài)。
• 外部復(fù)位：通過RST引腳可以進(jìn)行外部復(fù)位操作，將RST引腳置為邏輯0至少20ns，然后再置為邏輯1，初始化序列同樣需要1024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

音頻串行接口

PCM模式音頻接口

PCM模式下的音頻接口是一個(gè)3線串行端口，包括PLRCK、PBCK和PDATA1 - PDATA4引腳。PBCK是串行音頻位時(shí)鐘，用于將PDATA上的串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到音頻接口串行移位寄存器；PLRCK是串行音頻左右字時(shí)鐘，用于將串行數(shù)據(jù)鎖存到串行音頻接口內(nèi)部寄存器。PLRCK需要與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，但不需要特定的相位關(guān)系。如果PLRCK與系統(tǒng)時(shí)鐘的關(guān)系變化超過 ± 6個(gè)PBCK周期，內(nèi)部操作將在1/ (f{S}) 內(nèi)初始化，模擬輸出將被強(qiáng)制為 (0.5V{CC}) ，直到重新同步完成。

DSD模式音頻接口

DSD模式下的音頻接口是一個(gè)2線串行端口，DBCK是串行音頻位時(shí)鐘，用于將DSD1 - DSD8上的直接流數(shù)字音頻數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到DSD1608。DBCK必須與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，但也不需要特定的相位關(guān)系，其工作頻率為采樣頻率 (f{S}) ，DSD模式的 (f{S}) 標(biāo)稱值為 (64×44.1kHz) 。

音頻數(shù)據(jù)格式與時(shí)序

PCM模式數(shù)據(jù)格式

PCM模式支持標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對(duì)齊三種音頻數(shù)據(jù)格式，通過控制寄存器10中的FMT[2:0]位進(jìn)行選擇。默認(rèn)數(shù)據(jù)格式為24位標(biāo)準(zhǔn)格式，所有格式都要求二進(jìn)制2的補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了詳細(xì)的時(shí)序圖，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)這些時(shí)序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

DSD模式數(shù)據(jù)格式

DSD模式支持DSD音頻數(shù)據(jù)格式，同樣有相應(yīng)的時(shí)序要求，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。

串行控制接口

串行控制接口是一個(gè)4線串行端口，與串行音頻接口和系統(tǒng)時(shí)鐘完全異步工作，用于訪問片上模式寄存器。該接口包括MDI、MDO、MC和MS引腳，MDI用于編程模式寄存器，MDO用于讀取模式寄存器的值，MC是串行位時(shí)鐘，MS是控制端口的片選信號(hào)。所有的讀寫操作都使用16位數(shù)據(jù)字，通過特定的時(shí)序進(jìn)行寄存器的讀寫操作。

模式控制寄存器

用戶可編程模式控制

DSD1608提供了多種用戶可編程功能，通過控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。這些功能包括數(shù)字衰減控制、軟靜音控制、DAC操作控制、音頻數(shù)據(jù)格式控制、時(shí)鐘選擇控制、衰減率選擇、數(shù)字濾波器滾降控制、去加重功能控制、過采樣率控制、輸出相位選擇、零標(biāo)志極性選擇、DSD模式控制、系統(tǒng)復(fù)位、DSD濾波器選擇、零標(biāo)志狀態(tài)讀取和設(shè)備ID設(shè)置等。

寄存器映射和定義

數(shù)據(jù)手冊(cè)中詳細(xì)列出了模式控制寄存器的映射和定義，每個(gè)寄存器都有特定的功能和位定義。例如，ATxy位用于設(shè)置數(shù)字衰減電平，MUTx位用于控制軟靜音功能，DACx位用于控制DAC的操作等。工程師需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)這些寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置。

模擬輸出與零標(biāo)志

模擬輸出

DSD1608有8個(gè)獨(dú)立的輸出通道（ (V{OUT}1) 至 (V{OUT}8) ），為不平衡輸出，每個(gè)通道典型情況下能夠驅(qū)動(dòng) (4V{pp}) 到10kΩ的交流耦合負(fù)載。內(nèi)部輸出放大器偏置到直流共模（或雙極零）電壓 (V{CC}/2) ，并包含一個(gè)RC連續(xù)時(shí)間濾波器，用于減少由于Delta - Sigma D/A轉(zhuǎn)換器的噪聲整形特性在DAC輸出端出現(xiàn)的帶外噪聲能量。但對(duì)于許多應(yīng)用來說，這個(gè)濾波器不足以將帶外噪聲衰減到可接受的水平，因此需要外部低通濾波器來提供足夠的帶外噪聲抑制。

零標(biāo)志

DSD1608包含用于檢測(cè)音頻數(shù)據(jù)輸入引腳全零數(shù)據(jù)條件的電路，并通過輸出引腳指示檢測(cè)結(jié)果。在PCM模式下，如果某個(gè)通道或通道組合的數(shù)據(jù)在1024個(gè)采樣周期（或PLRCK時(shí)鐘周期）內(nèi)保持為0，則該通道或組合存在零檢測(cè)條件；在DSD模式下，零檢測(cè)不可用。零標(biāo)志引腳（ZERO1、ZERO2和ZERO38）可以用于操作外部靜音電路，或作為微控制器、音頻信號(hào)處理器或其他數(shù)字控制電路的狀態(tài)指示器。零標(biāo)志輸出的有效極性可以通過控制寄存器12中的ZREV位進(jìn)行反轉(zhuǎn)，復(fù)位默認(rèn)值為高電平有效。

應(yīng)用信息

連接圖與電源處理

數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了基本的連接圖，包括必要的電源旁路和去耦組件。建議在xSCK、PLRCK、xBCK、PDATAX和DSDx輸入引腳使用22Ω至100Ω的串聯(lián)電阻，這些電阻與PCB雜散電容和器件輸入電容形成低通濾波器，可減少高頻噪聲發(fā)射，抑制時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線上的毛刺和振鈴。DSD1608需要5V的模擬電源和3.3V的數(shù)字電源，為了獲得最佳性能，3.3V數(shù)字電源應(yīng)通過線性穩(wěn)壓器從5V電源派生而來，如Texas Instruments的REG1117 - 3.3。同時(shí)，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫磁月罚褂?0μF的鉭或鋁電解電容和0.1μF的陶瓷電容（表面貼裝應(yīng)用推薦X7R類型）。

D/A輸出濾波器電路

為了達(dá)到SACD標(biāo)準(zhǔn)推薦的頻率響應(yīng)，并減少Delta - Sigma調(diào)制器產(chǎn)生的帶外噪聲，DSD1608需要一個(gè)三階或二階模擬低通濾波器。推薦的外部低通濾波器電路是一個(gè)使用Sallen - Key電路結(jié)構(gòu)的三階Butterworth濾波器，其濾波器響應(yīng)和截止頻率由SACD標(biāo)準(zhǔn)推薦的頻率響應(yīng)決定。該濾波器可用于PCM或DSD模式。

TDMCA格式

• TDMCA模式概述：DSD1608支持時(shí)分復(fù)用命令和音頻數(shù)據(jù)（TDMCA）格式，以減少主機(jī)控制串行接口。該格式不僅適用于TI DSP的McBSP，還適用于任何可編程設(shè)備，能夠傳輸音頻數(shù)據(jù)和命令數(shù)據(jù)。TDMCA幀由命令字段、擴(kuò)展命令字段和一些音頻數(shù)據(jù)字段組成，音頻數(shù)據(jù)在IN設(shè)備（如DAC）和/或OUT設(shè)備（如ADC）之間傳輸。
• TDMCA模式確定：DSD1608通過接收脈沖寬度為兩個(gè)PBCK時(shí)鐘的PLRCK來識(shí)別TDMCA模式，在連續(xù)兩個(gè)TDMCA幀后進(jìn)入TDMCA模式。進(jìn)入該模式后，可在下一個(gè)TDMCA幀中發(fā)出任何TDMCA命令。如果不需要TDMCA模式操作，PLRCK必須是占空比為50%的方波。
• TDMCA終端信號(hào)：TDMCA需要六個(gè)信號(hào)，其中四個(gè)用于命令和音頻數(shù)據(jù)接口，兩個(gè)用于菊花鏈。主機(jī)接口信號(hào)MS、MC和MDO分別變?yōu)?a target="_blank">DCI、DCO和PDO，MDO信號(hào)為三態(tài)輸出，可直接連接到其他PDO終端。
• 設(shè)備ID確定：TDMCA模式支持多芯片實(shí)現(xiàn)，每個(gè)設(shè)備通過菊花鏈獲得自己的設(shè)備ID。通過將DCO連接到下一個(gè)設(shè)備的DCI，設(shè)備可以自動(dòng)獲取設(shè)備ID。實(shí)際上有兩個(gè)完全獨(dú)立且等效的菊花鏈，即IN鏈和OUT鏈。
• TDMCA幀結(jié)構(gòu)：TDMCA幀通常由命令字段、擴(kuò)展命令（EMD）字段和音頻數(shù)據(jù)字段組成，所有字段長度為32位，但LS字節(jié)無意義，每個(gè)字段的MSB首先傳輸。命令字段總是作為幀的第一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸，如果命令字段的EMD標(biāo)志為高，則傳輸EMD字段，傳輸EMD數(shù)據(jù)包后不再傳輸音頻數(shù)據(jù)。
• TDMCA寄存器要求：TDMCA模式需要設(shè)備ID和音頻通道信息，寄存器9指示音頻通道，寄存器17指示設(shè)備ID，寄存器17僅在TDMCA模式下使用。
• TDMCA模式操作：在TDMCA操作中，DCO指定下一個(gè)音頻通道的所有者，當(dāng)一個(gè)設(shè)備獲取自己的音頻通道數(shù)據(jù)時(shí)，DCO在最后一個(gè)音頻通道周期內(nèi)變?yōu)楦唠娖健Ｈ绻承┰O(shè)備由于缺乏活動(dòng)音頻通道而被跳過，每個(gè)跳過的設(shè)備必須通知下一個(gè)設(shè)備，DCO將通過下一個(gè)DCI傳遞。

結(jié)語

DSD1608作為一款功能強(qiáng)大的8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在音頻處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其支持多種音頻數(shù)據(jù)格式、出色的模擬性能、豐富的用戶可編程功能以及對(duì)TDMCA格式的支持，為電子工程師設(shè)計(jì)高性能音頻系統(tǒng)提供了有力的工具。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)時(shí)鐘、電源處理、濾波器設(shè)計(jì)和接口時(shí)序等方面的問題，以充分發(fā)揮DSD1608的性能優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)本文所介紹內(nèi)容的深入理解和合理應(yīng)用，相信工程師們能夠設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的音頻產(chǎn)品。你在使用DSD1608的過程中遇到過哪些問題呢？或者你對(duì)它的哪些特性最感興趣？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。