Texas Instruments PCM1870：16位低功耗立體聲音頻ADC的卓越性能與應(yīng)用

在當(dāng)今的便攜式數(shù)字音頻設(shè)備中，一款高性能、低功耗的音頻ADC（模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器）至關(guān)重要。Texas Instruments的PCM1870就是這樣一款出色的產(chǎn)品，它為便攜式音頻應(yīng)用帶來了諸多優(yōu)勢。

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一、PCM1870的主要特性

（一）模擬前端

PCM1870擁有豐富的模擬前端功能。它支持立體聲單端輸入并帶有MUX（多路復(fù)用器），還能實現(xiàn)單聲道差分輸入。同時，配備了立體聲可編程增益放大器以及麥克風(fēng)升壓放大器和偏置電路。這些功能使得它能夠靈活地處理各種音頻輸入信號，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

（二）模擬性能

其動態(tài)范圍達到了90 dB，這意味著它能夠清晰地捕捉到音頻信號中的細(xì)微變化，為音頻質(zhì)量提供了有力保障。

（三）電源電壓

不同的電路部分對電源電壓有不同的要求。數(shù)字I/O部分和數(shù)字核心部分的電源電壓范圍為1.71 V至3.6 V，而模擬部分的電源電壓范圍為2.4 V至3.6 V。這種靈活的電源設(shè)計使得PCM1870能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。

（四）低功耗

PCM1870在功耗方面表現(xiàn)出色。在錄制模式下，當(dāng)采樣頻率為48 kHz、立體聲模式且電源電壓為1.8/2.4 V時，功耗僅為13 mW；當(dāng)采樣頻率為8 kHz、單聲道模式時，功耗降至5.3 mW；在全功率關(guān)閉模式下，功耗更是低至3.3 μW。這對于便攜式設(shè)備來說，能夠顯著延長電池續(xù)航時間。

（五）采樣頻率

它支持5 kHz至50 kHz的采樣頻率，能夠滿足大多數(shù)音頻應(yīng)用的需求。

（六）自動電平控制

具備自動電平控制（ALC）功能，可在錄制過程中自動調(diào)整音頻信號的電平，確保錄制的音頻不會出現(xiàn)過飽和或音量過低的情況。

（七）時鐘輸入

通過單時鐘輸入即可實現(xiàn)操作，無需PLL（鎖相環(huán)）。系統(tǒng)時鐘支持多種常見的音頻時鐘頻率，如256 fS/384 fS，以及12/24、13/26、13.5/27、19.2/38.4、19.68/39.36 MHz等。

（八）串行控制

支持2線（I2C）或3線（SPI）串行控制方式，方便與其他設(shè)備進行通信和控制。

（九）可編程功能

通過寄存器控制，PCM1870具有多種可編程功能，包括數(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（30 dB至 -12 dB）、麥克風(fēng)輸入的升壓設(shè)置（0/12/20 dB）、ALC參數(shù)設(shè)置、三頻段音調(diào)控制和3D音效以及高通濾波器和兩級陷波濾波器等。

（十）降噪電路

配備了Pop噪聲降低電路，能夠有效減少音頻信號中的噪聲，提高音頻質(zhì)量。

（十一）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)省了電路板空間。

（十二）工作溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C至85°C，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境條件。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

PCM1870適用于多種便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用，如便攜式音頻播放器、手機、攝像機、數(shù)碼靜態(tài)相機、PMP/DMB以及語音記錄器等。它的高性能和低功耗特性使得這些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更好的音頻錄制和播放效果。

三、電氣特性

（一）絕對最大額定值

在使用PCM1870時，需要注意其絕對最大額定值。例如，電源電壓范圍為 -0.3至4 V，輸入電壓范圍為 -0.3至4 V，輸入電流（除電源引腳外）為 ±10 mA等。超過這些額定值可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

（二）推薦工作條件

推薦的模擬電源電壓VCC為2.4至3.6 V，數(shù)字電源電壓VDD和VIO為1.71至3.6 V。系統(tǒng)時鐘頻率范圍為3.072至18.432 MHz，采樣時鐘頻率范圍為8至48 kHz。

（三）音頻數(shù)據(jù)特性

音頻數(shù)據(jù)格式支持I2S、左對齊、右對齊和DSP格式，分辨率為16位，數(shù)據(jù)長度為16位，采用MSB - first和2s - complement編碼方式。采樣頻率范圍為5至50 kHz。

（四）動態(tài)性能

全量程輸入電壓為2.828 Vp - p（0 dB，1 Vrms），動態(tài)范圍為90 dB，信噪比（SNR）為83至90 dB，聲道分離度為87 dB，總諧波失真 + 噪聲（THD + N）為 -1 dB至0.017%。

（五）模擬輸入和輸出特性

模擬輸入的中心電壓為0.5 VCC，輸入阻抗根據(jù)不同的增益設(shè)置有所不同。模擬輸出的中心電壓同樣為0.5 VCC，負(fù)載電阻為10 kΩ，負(fù)載電容為20 pF。

（六）麥克風(fēng)偏置特性

麥克風(fēng)偏置電壓為0.75 VCC，偏置源電流為2 mA，輸出噪聲為6.5 μV。

（七）濾波器特性

ADC的抽取濾波器通帶為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時為 -60 dB，群延遲為17/fS s。高通濾波器的頻率響應(yīng)根據(jù)不同的截止頻率（fc）有所不同。

（八）電源和電流特性

電源電壓VIO、VDD和VCC的范圍分別為1.71至3.6 V、1.71至3.6 V和2.4至3.6 V。在不同的工作狀態(tài)下，電源電流和功耗也有所不同。例如，在所有輸入靜態(tài)時，BPZ輸入的電源電流為8至12 mA，功耗為26.4至39.6 mW；所有輸入靜態(tài)時，功耗為3.3至33 μW。

四、引腳分配

PCM1870的引腳分配明確，不同的引腳具有不同的功能。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)放大器輸出等。通過合理連接這些引腳，可以實現(xiàn)PCM1870與其他電路的有效配合。

五、功能描述

（一）模擬輸入

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R引腳可作為麥克風(fēng)或線路輸入，具有可選擇的0 - 或20 - dB升壓和1 - Vrms輸入。所有模擬輸入具有高輸入阻抗（20 kΩ），且不受增益設(shè)置的影響。通過寄存器87可以選擇一對輸入。AIN1L和AIN1R還可以用作單聲道差分輸入。

（二）增益設(shè)置

模擬信號在經(jīng)過0 - 、12 - 或20 - dB升壓放大器后，可以在30 dB至 -12 dB的范圍內(nèi)以1 - dB的步長進行調(diào)整。每個聲道的增益水平可以通過寄存器79和80進行設(shè)置。

（三）A/D轉(zhuǎn)換器

ADC包括多級delta - sigma調(diào)制器、混疊濾波器、抽取濾波器、高通濾波器和陷波濾波器，能夠接受1 Vrms作為全量程輸入電壓。抽取濾波器具有數(shù)字軟靜音功能，可通過寄存器81控制；高通濾波器和陷波濾波器在不需要消除直流偏移或避免風(fēng)噪聲時，可以通過寄存器81和96至104禁用。

（四）公共電壓

VCOM引腳通常偏置為0.5 VCC，為內(nèi)部電路提供公共電壓。建議連接一個4.7 - μF的電容到該引腳，以優(yōu)化模擬性能。

（五）麥克風(fēng)偏置

MICB引腳為外部麥克風(fēng)提供偏置源，可提供2 mA（典型值）的偏置電流。

（六）自動電平控制（ALC）

在麥克風(fēng)錄制時，ALC能夠自動擴展小輸入信號并壓縮大輸入信號，確保錄制的聲音處于合適的電平。擴展水平、壓縮水平、攻擊時間和恢復(fù)時間可以通過寄存器83進行選擇。

（七）3D音效

通過帶通濾波器混合左、右聲道數(shù)據(jù)，提供3D音效?？刂茀?shù)（混合比例和帶通濾波器特性）可以在寄存器95中設(shè)置。

（八）三頻段音調(diào)控制

音調(diào)控制包括低音、中音和高音控制，可在12 dB至 -12 dB的范圍內(nèi)以1 - dB的步長進行調(diào)整。寄存器92至94用于設(shè)置這些控制參數(shù)。寄存器92（LPAE）可以自動衰減數(shù)字輸入信號，防止在低音控制設(shè)置高于0 dB時輸出信號削波，但對中音和高音控制無效。

（九）高通濾波器和陷波濾波器

高通濾波器用于消除ADC模擬部分的直流偏移，可在48 - kHz采樣時設(shè)置為4 Hz、120 Hz或240 Hz。陷波濾波器用于去除特定頻率的噪聲，如CCD噪聲、電機噪聲和其他機械噪聲。PCM1870有兩個陷波濾波器，其中心頻率和頻率帶寬可以通過寄存器96至104進行編程。

（十）數(shù)字單聲道混合

通過寄存器96（MXEN），可以在內(nèi)部音頻接口部分將立體聲數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)混合為單聲道數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

（十一）零交叉檢測

零交叉檢測功能可以在改變模擬音量和數(shù)字衰減時最小化可聽的拉鏈噪聲。該功能可以通過寄存器86應(yīng)用于數(shù)字輸入或數(shù)字輸出。

（十二）各模塊的電源上下電

通過寄存器73、82和90，可以將未使用的模塊斷電，以最小化功耗。例如，在僅錄制時，功耗為13 mW。

（十三）數(shù)字接口

所有數(shù)字I/O引腳可以在不同的電源電壓下進行接口。VIO引腳可以連接到1.71 - V至3.6 - V的電源。

（十四）電源

VCC引腳可以連接到2.4 V至3.6 V的電源，VDD引腳和VIO引腳可以連接到1.71至3.6 V的電源?？梢詾槊總€引腳應(yīng)用不同的電壓。

六、操作說明

（一）系統(tǒng)時鐘輸入

PCM1870可以接受各種頻率的輸入時鐘，無需PLL。時鐘用于數(shù)字濾波器、自動電平控制和delta - sigma調(diào)制器的時鐘，分為通用音頻時鐘和特定應(yīng)用時鐘。系統(tǒng)時鐘的采樣率和頻率由寄存器86和85的設(shè)置決定。

（二）上電復(fù)位和系統(tǒng)復(fù)位

上電復(fù)位電路通常在VDD = 1.2 V時輸出復(fù)位信號，內(nèi)部電路被清除為默認(rèn)狀態(tài)，所有模擬和數(shù)字輸出的信號被移除。系統(tǒng)復(fù)位可以通過設(shè)置寄存器85（SRST）來啟用，所有寄存器將自動清除，所有電路將同時復(fù)位到默認(rèn)狀態(tài)。需要注意的是，啟用SRST時，PCM1870的模擬輸出會產(chǎn)生可聽的pop噪聲。

（三）電源上下電順序

為了減少可聽的pop噪聲，在上電時需要按照推薦的順序進行寄存器設(shè)置，下電時也需要進行相應(yīng)的設(shè)置。推薦的上電和下電順序分別在表3和表4中給出。

（四）電源電流

PCM1870的電流消耗取決于每個電路模塊的上電/下電狀態(tài)。為了節(jié)省功耗，建議在不使用某個模塊時將其禁用。表5顯示了在不同工作模式下的電流消耗情況。

七、音頻串行接口

（一）接口組成

PCM1870的音頻串行接口由LRCK、BCK和DOUT組成。采樣率（ (f_{S}) ）、左右聲道信息通過LRCK傳輸，DOUT傳輸來自ADC抽取濾波器的串行數(shù)據(jù)，BCK用于在其高 - 低轉(zhuǎn)換時傳輸DOUT上的串行音頻數(shù)據(jù)。BCK和LRCK應(yīng)與音頻系統(tǒng)時鐘同步，理想情況下應(yīng)從系統(tǒng)時鐘派生。

（二）工作模式

PCM1870具有主模式和從模式接口格式，可以通過寄存器84（MSTR）進行選擇。在主模式下，LRCK和BCK由系統(tǒng)時鐘生成。

（三）音頻數(shù)據(jù)格式和時序

支持I2S、右對齊、左對齊和DSP格式，數(shù)據(jù)格式通過寄存器70進行選擇。所有格式都要求二進制2s - complement、MSB - first的音頻數(shù)據(jù)，默認(rèn)格式為I2S。文中給出了詳細(xì)的時序圖和參數(shù)要求。

八、串行控制接口

（一）三線接口（SPI）

所有串行控制端口的寫操作使用16位數(shù)據(jù)字?？刂茢?shù)據(jù)字格式中，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]包含要寫入指定寄存器的數(shù)據(jù)。文中還給出了詳細(xì)的功能時序圖和時序要求。

（二）兩線接口（I2C）

PCM1870作為從設(shè)備支持I2C串行總線和I2C標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。該協(xié)議在I2C規(guī)范2.0中有詳細(xì)解釋。

總的來說，PCM1870是一款功能強大、性能卓越的音頻ADC，它的低功耗、高集成度和豐富的可編程功能使其成為便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用的理想選擇。電子工程師在設(shè)計相關(guān)產(chǎn)品時，可以充分利用PCM1870的這些特性，實現(xiàn)更好的音頻效果和更低的功耗。你在使用PCM1870的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。