低功耗立體聲ADC——PCM1870的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在當(dāng)今便攜式數(shù)字音頻設(shè)備飛速發(fā)展的時(shí)代，低功耗、高性能的音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）顯得尤為重要。TI公司的PCM1870就是這樣一款出色的產(chǎn)品，下面我們就來(lái)深入了解一下它的特性、應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。

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1. 產(chǎn)品概述

PCM1870是一款專為便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的16位低功耗立體聲ADC，具備麥克風(fēng)偏置和麥克風(fēng)放大器功能。它采用24 - QFN（4 mm × 5 mm）和24 - DSBGA（2.49 mm × 3.49 mm）封裝，有效節(jié)省了電路板空間。該芯片適用于多種設(shè)備，如便攜式音頻播放器、手機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、PMP/DMB以及語(yǔ)音記錄儀等。

2. 關(guān)鍵特性

2.1 模擬前端特性

• 輸入類型多樣：支持立體聲單端輸入（帶MUX）和單聲道差分輸入。
• 可編程增益放大：具備立體聲可編程增益放大器，可對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行靈活的增益調(diào)整，增益范圍從30 dB到 - 12 dB，以1 dB為步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
• 麥克風(fēng)增強(qiáng)：擁有麥克風(fēng)增強(qiáng)放大器和偏置，可為外部麥克風(fēng)提供2 mA（典型值）的偏置電流。

2.2 模擬性能

• 動(dòng)態(tài)范圍：達(dá)到90 dB，能夠清晰地捕捉音頻信號(hào)的細(xì)微變化。
• 信噪比（SNR）：EIAJ、A加權(quán)下為83 - 90 dB，有效減少噪聲干擾，保證音頻質(zhì)量。
• 聲道分離度：高達(dá)87 dB，確保左右聲道之間的獨(dú)立性。

2.3 低功耗設(shè)計(jì)

• 不同模式下功耗不同：在錄音模式下，1.8/2.4 V、48 kHz、立體聲時(shí)功耗為13 mW；1.8/2.4 V、8 kHz、單聲道時(shí)功耗為5.3 mW；全功率關(guān)閉模式下僅為3.3 μW。

2.4 采樣與時(shí)鐘特性

• 采樣頻率：支持5 kHz到50 kHz的采樣頻率，滿足不同音頻應(yīng)用的需求。
• 系統(tǒng)時(shí)鐘：采用通用音頻時(shí)鐘（256 fS/384 fS），頻率包括12/24、13/26、13.5/27、19.2/38.4、19.68/39.36 MHz等。

2.5 可編程功能

• 數(shù)字軟靜音：可通過(guò)寄存器控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字軟靜音功能，避免音頻信號(hào)的突然變化。
• 模塊電源控制：能夠?qū)γ總€(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的電源上下電控制，進(jìn)一步降低功耗。
• 音調(diào)控制與音效：支持三頻段音調(diào)控制和3D音效，可通過(guò)寄存器設(shè)置相關(guān)參數(shù)，提升音頻的聽(tīng)覺(jué)效果。
• 濾波功能：具備高通濾波器和兩級(jí)陷波濾波器，可有效去除直流偏移和特定頻率的噪聲。

3. 電氣特性

3.1 電源電壓

• 數(shù)字I/O部分：電源電壓范圍為1.71 V到3.6 V。
• 數(shù)字核心部分：電源電壓范圍為1.71 V到3.6 V。
• 模擬部分：電源電壓范圍為2.4 V到3.6 V。

3.2 輸入輸出特性

• 輸入阻抗：不同增益設(shè)置下，AIN1L、AIN1R、AIN2L、AIN2R的輸入阻抗為10 - 20 kΩ；PGINL和PGINR在不同增益下輸入阻抗有所不同，如PG3 = PG4 = - 12 dB時(shí)為70 - 142 kΩ，PG3 = PG4 = 30 dB時(shí)為4.7 - 9.5 kΩ。
• 輸出特性：模擬輸出（AOL和AOR）的中心電壓為0.5 VCC，負(fù)載電阻為10 kΩ，負(fù)載電容為20 pF。

3.3 濾波器特性

• 抽取濾波器：通帶為0.408 fS，阻帶為0.591 fS，通帶紋波為±0.02 dB，阻帶衰減在f < 3.268 fS時(shí)為 - 60 dB，群延遲為17/fS。
• 高通濾波器：可設(shè)置不同的截止頻率，如4 Hz、120 Hz、240 Hz等，在不同截止頻率下有相應(yīng)的頻率響應(yīng)特性。

4. 引腳分配與功能

PCM1870的引腳涵蓋了模擬輸入、輸出，數(shù)字輸入、輸出以及時(shí)鐘、控制等多種功能。例如，AGND為模擬地，AIN1L、AIN1R等為模擬輸入引腳，DOUT為串行音頻數(shù)據(jù)輸出引腳，SCKI為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入引腳等。通過(guò)合理連接這些引腳，可以實(shí)現(xiàn)芯片與外部電路的有效通信和協(xié)同工作。

5. 操作說(shuō)明

5.1 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

PCM1870可以接受各種頻率的輸入時(shí)鐘，無(wú)需PLL。時(shí)鐘用于數(shù)字濾波器、自動(dòng)電平控制和Δ - Σ調(diào)制器的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)時(shí)鐘的采樣率和頻率由寄存器86（MSR[2:0]）和寄存器85（NPR[5:0]）設(shè)置。

5.2 上電復(fù)位與系統(tǒng)復(fù)位

• 上電復(fù)位：上電復(fù)位電路通常在VDD = 1.2 V時(shí)輸出復(fù)位信號(hào)，將內(nèi)部電路清零至默認(rèn)狀態(tài)，同時(shí)清除所有模擬和數(shù)字輸出信號(hào)。芯片不需要特定的電源供電順序，但需要在所有電源開(kāi)啟后寫(xiě)入寄存器數(shù)據(jù)。
• 系統(tǒng)復(fù)位：通過(guò)設(shè)置寄存器85（SRST）啟用系統(tǒng)復(fù)位，所有寄存器將自動(dòng)清零，所有電路恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)。需要注意的是，啟用SRST時(shí)，模擬輸出會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)的爆音噪聲。

5.3 電源上下電序列

為了減少可聽(tīng)的爆音噪聲，上電和下電時(shí)需要按照推薦的寄存器設(shè)置序列進(jìn)行操作。上電時(shí)，先開(kāi)啟所有電源，然后依次設(shè)置音頻接口格式、增益控制、模擬偏置上電等；下電時(shí)，先啟用數(shù)字軟靜音，然后關(guān)閉模擬前端、VCOM和模擬偏置，最后關(guān)閉所有電源。

6. 音頻串行接口

6.1 接口組成

PCM1870的音頻串行接口由LRCK、BCK和DOUT組成。LRCK表示采樣率和左右聲道信息，DOUT傳輸ADC抽取濾波器的串行數(shù)據(jù)，BCK用于在其高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)傳輸DOUT上的串行音頻數(shù)據(jù)。BCK和LRCK應(yīng)與音頻系統(tǒng)時(shí)鐘同步，理想情況下應(yīng)從系統(tǒng)時(shí)鐘派生。

6.2 數(shù)據(jù)格式與時(shí)序

支持I2S、右對(duì)齊、左對(duì)齊和DSP格式，數(shù)據(jù)格式通過(guò)寄存器70（RFM[1:0]，PFM[1:0]）選擇，所有格式要求音頻數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先。不同格式下有相應(yīng)的BCK脈沖周期時(shí)間、電平時(shí)間以及信號(hào)間的延遲時(shí)間等時(shí)序要求。

7. 三線接口（SPI）

7.1 數(shù)據(jù)格式

所有串行控制端口的寫(xiě)操作使用16位數(shù)據(jù)字，最高位必須為0，其中IDX[6:0]設(shè)置寫(xiě)操作的寄存器地址，D[7:0]包含要寫(xiě)入指定寄存器的數(shù)據(jù)。

7.2 時(shí)序要求

寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)在MC時(shí)鐘的上升沿被時(shí)鐘輸入到內(nèi)部移位寄存器，串行數(shù)據(jù)應(yīng)在MC時(shí)鐘的下降沿改變，且在寫(xiě)模式下為低電平。MS的上升沿應(yīng)與16位幀中最后一個(gè)MC時(shí)鐘脈沖的下降沿對(duì)齊。

8. 總結(jié)

PCM1870以其豐富的功能、出色的性能和低功耗特性，為便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理設(shè)置芯片的各種參數(shù)，注意電源上下電序列和接口時(shí)序等問(wèn)題，以充分發(fā)揮PCM1870的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻處理。大家在使用PCM1870的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。