德州儀器PCM1870：低功耗立體聲音頻ADC的卓越之選

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，音頻處理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。德州儀器（Texas Instruments）的PCM1870低功耗立體聲音頻ADC，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、PCM1870的特性亮點(diǎn)

1. 模擬前端設(shè)計(jì)

PCM1870擁有強(qiáng)大的模擬前端，具備立體聲單端輸入（帶MUX）、單聲道差分輸入、立體聲可編程增益放大器、麥克風(fēng)升壓放大器和偏置等功能。這種多樣化的輸入方式，能夠滿足不同音頻源的需求，為音頻采集提供了更多的靈活性。

2. 出色的模擬性能

其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)90 dB，能夠清晰地捕捉音頻信號(hào)的細(xì)節(jié)，為用戶帶來高品質(zhì)的音頻體驗(yàn)。

3. 寬電源電壓范圍

數(shù)字I/O部分、數(shù)字核心部分的電源電壓范圍為1.71 V至3.6 V，模擬部分為2.4 V至3.6 V。這種寬電壓范圍的設(shè)計(jì)，使得PCM1870能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境，增強(qiáng)了其在各種設(shè)備中的適用性。

4. 低功耗設(shè)計(jì)

在不同的工作模式下，PCM1870都展現(xiàn)出了出色的低功耗特性。例如，在1.8/2.4 V、48 kHz、立體聲錄制模式下，功耗僅為13 mW；在1.8/2.4 V、8 kHz、單聲道錄制模式下，功耗為5.3 mW；而在全功率關(guān)閉模式下，功耗低至3.3 μW。這對(duì)于便攜式設(shè)備來說至關(guān)重要，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

5. 靈活的采樣頻率

采樣頻率范圍為5 kHz至50 kHz，能夠滿足不同音頻應(yīng)用的需求。無論是低采樣率的語音錄制，還是高采樣率的音樂播放，PCM1870都能輕松應(yīng)對(duì)。

6. 自動(dòng)電平控制

在錄制過程中，自動(dòng)電平控制（ALC）功能能夠自動(dòng)調(diào)整音頻信號(hào)的電平，避免信號(hào)飽和，確保錄制的音頻質(zhì)量穩(wěn)定。

7. 單時(shí)鐘輸入操作

PCM1870無需PLL，通過單時(shí)鐘輸入即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的同步。系統(tǒng)時(shí)鐘支持多種常見的音頻時(shí)鐘頻率，如256 fS/384 fS、12/24、13/26、13.5/27、19.2/38.4、19.68/39.36 MHz等，方便與各種音頻系統(tǒng)進(jìn)行集成。

8. 可編程功能

通過2（I2C）或3（SPI）線串行控制端口，用戶可以對(duì)PCM1870進(jìn)行靈活的編程控制。例如，數(shù)字軟靜音、各模塊的電源上下電控制、模擬輸入的增益設(shè)置、麥克風(fēng)輸入的升壓設(shè)置、ALC參數(shù)設(shè)置、三頻段音調(diào)控制和3D音效設(shè)置、高通濾波器和兩級(jí)陷波濾波器設(shè)置等。這些可編程功能使得PCM1870能夠根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制化配置，滿足用戶的多樣化需求。

9. 爆音降噪電路

PCM1870內(nèi)置了爆音降噪電路，能夠有效減少音頻信號(hào)中的爆音和雜音，提高音頻的純凈度。

10. 小巧的封裝形式

提供24-QFN（4 mm × 5 mm）和24-DSBGA（2.49 mm × 3.49 mm）兩種封裝形式，節(jié)省了電路板的空間，適合用于小型便攜式設(shè)備。

11. 寬工作溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C至85°C，能夠在各種惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，保證了產(chǎn)品的可靠性。

二、PCM1870的應(yīng)用領(lǐng)域

PCM1870廣泛應(yīng)用于各種便攜式音頻設(shè)備和消費(fèi)電子設(shè)備中，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、語音記錄儀等。其低功耗、高性能的特點(diǎn)，使得這些設(shè)備能夠在保證音頻質(zhì)量的同時(shí)，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，提升用戶體驗(yàn)。

三、電氣特性詳解

1. 音頻數(shù)據(jù)

• 分辨率：16位，能夠提供較高的音頻精度。
• 音頻數(shù)據(jù)接口格式：支持I2S、左對(duì)齊、右對(duì)齊和DSP格式，方便與音頻DSP和編碼器芯片進(jìn)行接口。
• 音頻數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度：16位，確保音頻數(shù)據(jù)的完整性。
• 音頻數(shù)據(jù)格式：采用MSB-first、2s-complement格式，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。
• 采樣頻率：范圍為5 kHz至50 kHz，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

2. 數(shù)字輸入/輸出

• 系統(tǒng)時(shí)鐘：根據(jù)不同的電源電壓，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率有所不同。當(dāng)VDD < 2 V時(shí)，為27 - 40 MHz；當(dāng)VDD > 2 V時(shí)，頻率范圍更廣。
• 邏輯家族：與CMOS兼容，方便與其他數(shù)字電路進(jìn)行集成。
• 輸入邏輯電平：VIH為0.7 VIO，VIL為0.3 VIO。
• 輸入邏輯電流：IIN = 3.3 V時(shí)，IIH為10 - 10 μA；IIN = 0 V時(shí)，IIL為相應(yīng)的值。
• 輸出邏輯電平：VOH為0.75 VIO，VOL為0.25 VIO。

3. 模擬輸入到數(shù)字輸出

• 動(dòng)態(tài)性能：全量程輸入電壓為2.828 Vp-p（0 dB）或1 Vrms，信噪比（SNR）可達(dá)90 dB（EIAJ，A加權(quán)），聲道分離度為87 dB，總諧波失真 + 噪聲（THD+N）在 -1 dB時(shí)為0.009% - 0.017%。
• 模擬輸入：中心電壓為0.5 VCC，輸入阻抗根據(jù)不同的輸入引腳和增益設(shè)置有所不同。

4. 模擬輸出

• 中心電壓：0.5 VCC。
• 負(fù)載電阻：10 kΩ。
• 負(fù)載電容：20 pF。

5. 麥克風(fēng)偏置

• 偏置電壓：0.75 VCC。
• 偏置源電流：2 mA（典型值）。
• 輸出噪聲：6.5 μV。

6. 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，在不同的截止頻率下具有不同的頻率響應(yīng)特性。

7. 電源和電源電流

• 電源電壓范圍：VIO、VDD為1.71 - 3.6 V，VCC為2.4 - 3.6 V。
• 電源電流：在不同的工作狀態(tài)下，電源電流有所不同。例如，BPZ輸入、所有模塊激活且無負(fù)載時(shí)，電流為8 - 12 mA；所有輸入保持靜態(tài)時(shí)，電流為1 - 10 μA。
• 功耗：BPZ輸入時(shí)為26.4 - 39.6 mW，所有輸入保持靜態(tài)時(shí)為3.3 - 33 μW。

8. 溫度條件

• 工作溫度： -40°C至85°C。
• 熱阻：35 °C/W。

四、引腳分配與功能

PCM1870的引腳分配明確，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，AGND為模擬地，AIN1L和AIN1R為左、右聲道的模擬輸入1，AOL和AOR為左、右聲道的麥克風(fēng)放大器輸出，BCK為串行位時(shí)鐘，DOUT為串行音頻數(shù)據(jù)輸出等。了解這些引腳的功能，對(duì)于正確使用PCM1870至關(guān)重要。

五、典型性能曲線

文檔中提供了PCM1870在不同條件下的典型性能曲線，如高通濾波器通帶特性曲線、ADC在高增益下的SNR曲線、THD+N/SNR與電源的關(guān)系曲線等。這些曲線能夠幫助工程師更好地了解PCM1870的性能特點(diǎn)，為電路設(shè)計(jì)提供參考。

六、工作原理與操作說明

1. 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

PCM1870可以接受各種頻率的輸入時(shí)鐘，無需PLL。時(shí)鐘用于數(shù)字濾波器、自動(dòng)電平控制和Delta - Sigma調(diào)制器的時(shí)鐘同步。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。

2. 上電復(fù)位和系統(tǒng)復(fù)位

上電復(fù)位電路在VDD = 1.2 V時(shí)輸出復(fù)位信號(hào)，將內(nèi)部電路清除為默認(rèn)狀態(tài)，并清除所有模擬和數(shù)字輸出信號(hào)。系統(tǒng)復(fù)位通過設(shè)置寄存器85（SRST）來實(shí)現(xiàn)，所有寄存器將自動(dòng)清除，所有電路復(fù)位到默認(rèn)狀態(tài)。需要注意的是，啟用SRST時(shí)，PCM1870的模擬輸出會(huì)產(chǎn)生可聽的爆音。為了減少爆音，在電源上電或下電時(shí)，需要按照推薦的寄存器設(shè)置序列進(jìn)行操作。

3. 電源供應(yīng)

PCM1870的電源供應(yīng)較為靈活，VCC可連接2.4 V至3.6 V，VDD和VIO可連接1.71至3.6 V，不同的引腳可以應(yīng)用不同的電壓。

4. 音頻串行接口

PCM1870的音頻串行接口由LRCK、BCK和DOUT組成。采樣率和左右聲道信息通過LRCK傳輸，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，推薦從系統(tǒng)時(shí)鐘派生。PCM1870支持主模式和從模式接口格式，可通過寄存器84（MSTR）選擇。同時(shí)，它支持I2S、右對(duì)齊、左對(duì)齊和DSP格式，數(shù)據(jù)格式通過寄存器70（RFM[1:0]，PFM[1:0]）選擇。

5. 三線接口（SPI）

當(dāng)MODE引腳為低電平時(shí)，PCM1870使用三線接口（SPI）進(jìn)行串行控制。所有寫操作使用16位數(shù)據(jù)字，最高位必須為0，IDX[6:0]設(shè)置寫操作的寄存器地址，D[7:0]包含要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。

七、總結(jié)

PCM1870作為一款低功耗立體聲音頻ADC，具有豐富的功能和出色的性能。它在模擬前端設(shè)計(jì)、音頻性能、功耗控制、可編程性等方面都表現(xiàn)出色，適用于各種便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用。電子工程師在設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)，可以充分利用PCM1870的這些特性，開發(fā)出高質(zhì)量、低功耗的音頻產(chǎn)品。

你在使用PCM1870的過程中遇到過哪些問題呢？或者你對(duì)它的某些特性有更深入的疑問嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)留言交流。