PCM1809：高性能低功耗音頻ADC的全方位解析

前言

在音頻處理領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是至關(guān)重要的一環(huán)。PCM1809作為一款高性能、低功耗的立體聲音頻模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），以其豐富的特性和出色的性能，在眾多音頻應(yīng)用場景中嶄露頭角。今天，我們就來深入探討一下PCM1809的各項(xiàng)特性、應(yīng)用場景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、PCM1809的關(guān)鍵特性

1.1 強(qiáng)大的音頻采集能力

PCM1809是一款立體聲低功耗ADC，支持2通道的模擬麥克風(fēng)或線路輸入。它具備出色的ADC線路和麥克風(fēng)差分及單端輸入性能，差分輸入動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)104dB，單端輸入也能達(dá)到102dB，THD + N低至 - 95dB，能夠?yàn)橐纛l采集提供高質(zhì)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

1.2 靈活的輸入與采樣配置

該芯片支持2 - V RMS的差分滿量程輸入，具備直接耦合功能，支持寬輸入共模范圍以及AC/DC耦合。其ADC采樣率范圍從8kHz到192kHz，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整。同時(shí)，通過硬件引腳控制配置，還能選擇線性相位或低延遲濾波器，滿足多樣化的音頻處理需求。

1.3 多樣的音頻接口

PCM1809擁有靈活的音頻串行數(shù)據(jù)接口，可選擇控制器或目標(biāo)接口，支持32 - 位、2通道的TDM和I2S格式。這種靈活性使得它能夠與各種不同的音頻處理設(shè)備進(jìn)行無縫連接。

1.4 低功耗與高集成度

它具備自動(dòng)掉電功能，當(dāng)音頻時(shí)鐘丟失時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，有效降低能耗。并且集成了高性能音頻PLL，支持單電源3.3V供電，I/O電源可選3.3V或1.8V。在3.3V AVDD供電下，16kHz采樣率時(shí)每通道功耗僅19.6mW，48kHz采樣率時(shí)每通道功耗為21.3mW，非常適合對(duì)功耗敏感的應(yīng)用場景。

二、應(yīng)用場景分析

2.1 智能音箱

在智能音箱中，PCM1809能夠高精度地采集語音信號(hào)，其高動(dòng)態(tài)范圍和低失真特性確保語音識(shí)別的準(zhǔn)確性。同時(shí)，低功耗設(shè)計(jì)可以延長智能音箱的續(xù)航時(shí)間，滿足用戶長時(shí)間使用的需求。

2.2 影音設(shè)備

如DVD記錄器和播放器、AV接收機(jī)等，PCM1809可將模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的數(shù)字信號(hào)，提升音頻播放的音質(zhì)，為用戶帶來更優(yōu)質(zhì)的視聽體驗(yàn)。

2.3 視頻會(huì)議系統(tǒng)

在視頻會(huì)議中，清晰的音頻交流至關(guān)重要。PCM1809的立體聲采集能力和低延遲特性，能夠確保語音信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸，有效避免聲音卡頓和失真問題。

2.4 IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，音頻采集也是重要的功能之一。PCM1809可以為其提供高質(zhì)量的音頻錄制功能，使視頻與音頻同步，豐富監(jiān)控信息。

三、詳細(xì)技術(shù)剖析

3.1 硬件控制

PCM1809支持通過硬件引腳進(jìn)行簡單控制，如MSZ、MD0、MD1和FMT0引腳，可通過上拉或下拉電阻輕松選擇特定的工作模式和音頻接口，為設(shè)計(jì)者提供了極大的便利。

3.2 音頻串行接口

3.2.1 TDM接口

TDM模式（DSP模式）下，F(xiàn)SYNC的上升沿啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)按順序依次發(fā)送。為保證音頻總線正常工作，每幀的位時(shí)鐘數(shù)需大于或等于有效輸出通道數(shù)乘以32位的輸出通道數(shù)據(jù)字長。

3.2.2 I2S接口

I2S協(xié)議主要用于左右兩個(gè)聲道的數(shù)據(jù)傳輸。在I2S模式下，左聲道和右聲道的數(shù)據(jù)在特定的時(shí)鐘邊沿進(jìn)行傳輸，同樣需要保證每幀位時(shí)鐘數(shù)滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。

3.3 PLL與時(shí)鐘生成

芯片內(nèi)部集成了低抖動(dòng)的PLL，用于生成ADC調(diào)制器、數(shù)字濾波器引擎及其他控制模塊所需的內(nèi)部時(shí)鐘。在目標(biāo)模式下，可根據(jù)不同的FSYNC信號(hào)頻率和BCLK與FSYNC的比率內(nèi)部配置時(shí)鐘分頻器；在控制器模式下，則以MD1引腳作為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入源，支持256 × fS或512 × fS的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

3.4 輸入通道配置

PCM1809有兩對(duì)模擬輸入引腳（INxP和INxM），可配置為差分或單端輸入。輸入信號(hào)可以是電容耦合（AC - 耦合）或直流耦合（DC - 耦合），為獲得最佳失真性能，AC - 耦合模式下建議使用低電壓系數(shù)的電容器。

3.5 參考電壓

PCM1809內(nèi)部通過帶隙電路生成低噪聲參考電壓，該電壓需通過VREF引腳連接至少1 - μF的電容到模擬地進(jìn)行外部濾波。參考電壓值為2.75V，支持2 - V RMS的差分滿量程輸入。

3.6 信號(hào)鏈處理

3.6.1 數(shù)字高通濾波器

為去除記錄數(shù)據(jù)中的直流偏移和低頻噪聲，芯片支持固定的高通濾波器（HPF），其 - 3dB截止頻率為0.00025 × fS。該HPF采用一階無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器，能有效過濾信號(hào)中的直流分量。

3.6.2 可配置數(shù)字抽取濾波器

在目標(biāo)模式下，可根據(jù)需要選擇線性相位濾波器或低延遲濾波器進(jìn)行抽取。線性相位濾波器適用于對(duì)相位線性度要求較高的應(yīng)用；低延遲濾波器則在對(duì)低延遲有嚴(yán)格要求的場景中表現(xiàn)出色。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 典型應(yīng)用電路

對(duì)于使用立體聲模擬MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行同時(shí)錄音的應(yīng)用，PCM1809的配置相對(duì)簡單。但在設(shè)計(jì)時(shí)，為獲得最佳失真性能，建議使用低電壓系數(shù)的輸入AC - 耦合電容器。

4.2 電源供應(yīng)

IOVDD和AVDD電源的上電順序可任意，但需確保在電源電壓穩(wěn)定到支持的工作電壓范圍后再提供時(shí)鐘信號(hào)。同時(shí)，電源的上升和下降速率以及上電和下電之間的等待時(shí)間都有嚴(yán)格要求，如電源上電時(shí)t?和t?至少為100μs，下電時(shí)t?和t?至少為10ms，且電源斜坡速率應(yīng)慢于1V/μs，上下電間隔至少100ms。

4.3 PCB布局

4.3.1 熱管理

將芯片的散熱焊盤連接到地，并使用過孔圖案將散熱焊盤連接到接地層，有助于芯片散熱，保證其性能穩(wěn)定。

4.3.2 去耦電容

電源去耦電容應(yīng)盡可能靠近芯片引腳，以減少電源噪聲對(duì)芯片的影響。

4.3.3 信號(hào)布線

模擬差分音頻信號(hào)應(yīng)在PCB上進(jìn)行差分布線，避免數(shù)字和模擬信號(hào)交叉，防止串?dāng)_問題。同時(shí)，VREF引腳的濾波電容應(yīng)靠近該引腳，且其接地端應(yīng)直接短接到AVSS引腳，避免使用過孔。

五、總結(jié)

PCM1809憑借其高性能、低功耗、靈活的接口配置和豐富的集成功能，成為音頻處理領(lǐng)域中一款極具競爭力的ADC產(chǎn)品。無論是在智能音箱、影音設(shè)備還是視頻會(huì)議等應(yīng)用場景中，都能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供高質(zhì)量的音頻采集解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮其各項(xiàng)特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保PCM1809能夠發(fā)揮出最佳性能。你在使用PCM1809或其他類似音頻ADC時(shí)，遇到過哪些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。