探索PCM1801：低成本立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器的卓越性能與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要深入了解一款來(lái)自德州儀器（Texas Instruments）的低成本單芯片立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器——PCM1801。它具有單端模擬電壓輸入，適用于各種對(duì)成本敏感且對(duì)性能有要求的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。

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一、PCM1801的特性亮點(diǎn)

1. 高性能轉(zhuǎn)換核心

PCM1801采用雙16位單片ΔΣ ADC架構(gòu)，具備單端電壓輸入功能，并且內(nèi)置了抗混疊濾波器。其64倍過(guò)采樣抽取濾波器表現(xiàn)出色，通帶紋波僅為±0.05 dB，阻帶衰減達(dá)到 -65 dB，能夠有效減少信號(hào)失真和噪聲干擾。

2. 出色的模擬性能

在模擬性能方面，PCM1801的總諧波失真加噪聲（THD+N）典型值為 -88 dB，信噪比（SNR）和動(dòng)態(tài)范圍典型值均為93 dB，為音頻信號(hào)的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換提供了可靠保障。同時(shí)，內(nèi)部集成的高通濾波器可以進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量。

3. 靈活的接口與時(shí)鐘配置

該轉(zhuǎn)換器支持PCM音頻接口，包括左對(duì)齊和I2S兩種數(shù)據(jù)格式，方便與不同的音頻系統(tǒng)進(jìn)行連接。采樣率范圍為4 kHz至48 kHz，系統(tǒng)時(shí)鐘可選擇256 fS、384 fS或512 fS，能夠滿足多樣化的應(yīng)用需求。

4. 低功耗與小封裝

PCM1801采用單5V電源供電，功耗較低。并且采用小型SO - 14封裝，節(jié)省了電路板空間，適合對(duì)尺寸有嚴(yán)格要求的設(shè)計(jì)。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

PCM1801的出色性能使其在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如DVD錄像機(jī)、DVD接收器、AV放大器接收器以及電子樂(lè)器等。在這些應(yīng)用中，它能夠?qū)⒛M音頻信號(hào)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為后續(xù)的處理和存儲(chǔ)提供基礎(chǔ)。

三、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

1. 工作原理

PCM1801主要由帶隙基準(zhǔn)、兩個(gè)單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器、全差分5階ΔΣ調(diào)制器、抽取濾波器（包括數(shù)字高通濾波器）和串行接口電路組成。內(nèi)部高精度基準(zhǔn)配合兩個(gè)外部電容，為轉(zhuǎn)換器提供所需的參考電壓，并定義了兩個(gè)通道的滿量程電壓范圍。單端轉(zhuǎn)差分電壓轉(zhuǎn)換器節(jié)省了設(shè)計(jì)空間和外部電路所需的額外元件。輸入信號(hào)以64倍過(guò)采樣率進(jìn)行采樣，無(wú)需采樣保持電路，簡(jiǎn)化了抗混疊濾波要求。5階ΔΣ噪聲整形器由五個(gè)采用開(kāi)關(guān)電容拓?fù)涞姆e分器、一個(gè)比較器和一個(gè)由1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成的反饋回路構(gòu)成，能夠?qū)⒘炕肼曇瞥鲆纛l頻段。抽取濾波器將調(diào)制器輸出的64 - fS、1位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為1 - fS、16位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并作為低通濾波器去除量化噪聲。數(shù)字高通濾波器去除直流分量，最終通過(guò)串行接口將濾波后的輸出轉(zhuǎn)換為時(shí)分復(fù)用的串行信號(hào)。

2. 系統(tǒng)時(shí)鐘與復(fù)位

系統(tǒng)時(shí)鐘必須為256 fS、384 fS或512 fS，通過(guò)SCKI（引腳5）提供。PCM1801具備系統(tǒng)時(shí)鐘檢測(cè)電路，當(dāng)使用384 - fS或512 - fS系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，會(huì)自動(dòng)將時(shí)鐘分頻為256 fS。內(nèi)部上電復(fù)位電路在電源電壓（VCC / VDD）超過(guò)4 V（典型值）時(shí)初始化。在電源上電時(shí)，必須盡快提供系統(tǒng)時(shí)鐘，并且在VDD > 4 V之前，設(shè)備至少要接收三個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。在VCC / VDD < 4 V（典型值）以及VCC / VDD > 4 V后的1024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)，PCM1801處于復(fù)位狀態(tài)，數(shù)字輸出被強(qiáng)制為零。復(fù)位狀態(tài)解除18,436 fS周期后，數(shù)字輸出有效。

3. 串行音頻數(shù)據(jù)接口

PCM1801通過(guò)BCK（引腳6）、LRCK（引腳7）和DOUT（引腳8）與音頻系統(tǒng)進(jìn)行接口。它支持左對(duì)齊格式的64 - BCK/LRCK、48 - BCK/LRCK（僅適用于384 - fS系統(tǒng)時(shí)鐘）或32 - BCK/LRCK格式，以及I2S格式的64 - BCK/LRCK或48 - BCK/LRCK格式（僅適用于384 - fS系統(tǒng)時(shí)鐘）。數(shù)據(jù)格式通過(guò)FMT控制輸入（引腳10）選擇，可選擇16位左對(duì)齊或16位I2S格式。

4. 同步與HPF旁路控制

PCM1801的LRCK與系統(tǒng)時(shí)鐘（SCKI）同步工作，雖然不要求LRCK和SCKI之間有特定的相位關(guān)系，但需要二者同步。如果在一個(gè)采樣周期內(nèi)，由于LRCK或SCKI抖動(dòng)導(dǎo)致LRCK和SCKI之間的關(guān)系變化超過(guò)6個(gè)比特時(shí)鐘（BCK），ADC的內(nèi)部操作將在1/f內(nèi)停止，數(shù)字輸出被強(qiáng)制為BPZ，直到重新同步。內(nèi)置的直流分量抑制功能可以通過(guò)BYPAS（引腳9）控制進(jìn)行旁路，在旁路模式下，輸入模擬信號(hào)的直流分量和內(nèi)部直流偏移等也會(huì)被轉(zhuǎn)換并輸出到數(shù)字輸出數(shù)據(jù)中。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 電路板設(shè)計(jì)與布局

• 電源引腳：數(shù)字和模擬電源線路應(yīng)盡可能靠近引腳，使用0.1 - μF陶瓷電容和10 - μF鉭電容旁路到相應(yīng)的接地引腳，以提高ADC的動(dòng)態(tài)性能。建議使用一個(gè)公共電源，避免電源排序?qū)е碌囊馔鈫?wèn)題。
• 接地引腳：模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）內(nèi)部未連接，應(yīng)確保它們具有低阻抗，以避免數(shù)字噪聲反饋到模擬地。在PCM1801封裝下方直接連接二者，減少潛在的噪聲問(wèn)題。
• 輸入引腳：建議使用1.0 - μF鉭電容作為交流耦合電容，建立5.3 - Hz截止頻率。如果需要更高的滿量程輸入電壓，可以在VIN引腳添加串聯(lián)電阻來(lái)增加輸入電壓范圍。
• 參考引腳：為確保低源阻抗，建議在VREF1和VREF2與AGND之間使用4.7 - μF鉭電容，并盡可能靠近引腳，以減少ADC參考上的動(dòng)態(tài)誤差。
• 輸出引腳：DOUT引腳具有較大的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，但建議在PCM1801附近放置一個(gè)緩沖器，并盡量減小負(fù)載電容，以最小化數(shù)字 - 模擬串?dāng)_，提高ADC的動(dòng)態(tài)性能。
• FMT引腳：一般根據(jù)接口要求將FMT引腳連接到DGND或VDD以選擇音頻數(shù)據(jù)格式。如果在PCM1801上電前應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)法確保有效的系統(tǒng)時(shí)鐘，且需要I2S格式，則必須在電源復(fù)位序列完成后將FMT引腳設(shè)置為高電平。可以通過(guò)連接一個(gè)延遲時(shí)間大于1 ms的C - R延遲電路來(lái)實(shí)現(xiàn)該輸入控制。
• 系統(tǒng)時(shí)鐘：系統(tǒng)時(shí)鐘的質(zhì)量會(huì)影響PCM1801的動(dòng)態(tài)性能，必須仔細(xì)管理系統(tǒng)時(shí)鐘輸入引腳的占空比、抖動(dòng)和閾值電壓。在為器件供電時(shí)，應(yīng)同時(shí)提供系統(tǒng)時(shí)鐘、比特時(shí)鐘（BCK）和字時(shí)鐘（LRCK）。如果未提供音頻時(shí)鐘，功耗可能會(huì)增加到正常功耗的三倍，并且如果超過(guò)最大功耗限制，可能會(huì)降低長(zhǎng)期可靠性。

2. 典型電路連接

典型電路連接圖展示了一個(gè)輸入高通濾波器截止頻率約為5 Hz的電路。其中，C1和C2為1 - μF電容，在正常操作中為輸入高通濾波器提供5.3 - Hz截止頻率，上電時(shí)需要30 ms的上電設(shè)置時(shí)間；C3和C4為旁路電容，可根據(jù)布局和電源選擇0.1 - μF陶瓷電容和10 - μF鉭電容或鋁電解電容；C5和C6為4.7 - μF鉭電容或鋁電解電容。

五、總結(jié)

PCM1801以其豐富的特性、出色的性能和靈活的設(shè)計(jì)，為電子工程師在音頻處理和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，合理的電路板設(shè)計(jì)和布局以及對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘等關(guān)鍵參數(shù)的精確控制，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換。各位工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不妨根據(jù)具體需求深入挖掘PCM1801的潛力，你是否在以往的設(shè)計(jì)中遇到過(guò)類(lèi)似ADC的應(yīng)用難題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。