探索PCM3120-Q1音頻ADC：高性能與靈活性的完美結(jié)合

在音頻技術(shù)不斷發(fā)展的今天，對于高質(zhì)量音頻采集和處理的需求日益增長。PCM3120-Q1作為一款高性能的音頻模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），憑借其豐富的功能和出色的性能，在眾多音頻應(yīng)用中脫穎而出。今天，我們就來深入了解一下這款器件。

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一、PCM3120-Q1概述

PCM3120-Q1是一款2通道、768-kHz的音頻ADC，專為語音激活系統(tǒng)、專業(yè)麥克風(fēng)、音頻會議、便攜式計(jì)算、通信和娛樂等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它具有高動態(tài)范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)高保真的遠(yuǎn)場音頻錄制，同時集成了多種功能，可有效降低成本、節(jié)省電路板空間并降低功耗，非常適合空間受限和電池供電的消費(fèi)、家用及工業(yè)應(yīng)用。

1. 主要特性

• 多通道支持：支持2通道模擬麥克風(fēng)或4通道數(shù)字PDM麥克風(fēng)輸入，還可同時支持2個模擬和2個數(shù)字麥克風(fēng)通道。
• 出色的性能指標(biāo)：動態(tài)范圍（DR）可達(dá)106 dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 -95 dB；2通道求和模式下，DR性能可達(dá)109 dB。
• 靈活的配置選項(xiàng)：可編程通道增益范圍為0 dB至42 dB，步長為0.5 dB；數(shù)字音量控制范圍為 -100 dB至27 dB；支持增益校準(zhǔn)和相位校準(zhǔn)，分辨率分別為0.1 dB和163 ns。
• 豐富的功能集成：集成可編程麥克風(fēng)偏置或電源電壓生成、低延遲信號處理濾波器選擇、可編程HPF和雙二階數(shù)字濾波器、自動增益控制器（AGC）、語音活動檢測（VAD）等功能。
• 靈活的接口：支持I2C控制接口，音頻串行數(shù)據(jù)接口支持TDM、I2S或左對齊（LJ）格式，字長可選16位、20位、24位或32位，支持主或從接口。
• 單電源操作：支持3.3 V或1.8 V單電源供電，I/O電源也支持3.3 V或1.8 V。

二、功能詳解

1. 串行接口

• 控制串行接口：通過I2C通信訪問設(shè)備的配置寄存器和可編程系數(shù)，可對設(shè)備進(jìn)行靈活配置。
• 音頻串行接口：支持TDM、I2S和LJ三種協(xié)議格式，輸出通道數(shù)據(jù)字長可編程。幀同步引腳FSYNC用于定義幀的開始，位時鐘引腳BCLK用于時鐘輸出數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。設(shè)備支持多個PCM3120 - Q1設(shè)備共享同一總線，還具備可編程偏移設(shè)置和極性反轉(zhuǎn)功能，可滿足不同系統(tǒng)的需求。

2. 鎖相環(huán)（PLL）和時鐘生成

設(shè)備具有智能自動配置模塊，可根據(jù)音頻總線上的FSYNC和BCLK信號頻率自動生成ADC調(diào)制器和數(shù)字濾波器引擎所需的內(nèi)部時鐘。支持多種輸出數(shù)據(jù)采樣率和BCLK與FSYNC的比率，可在不進(jìn)行主機(jī)編程的情況下自動配置所有時鐘分頻器，包括PLL配置。同時，設(shè)備也支持使用BCLK、GPIO1或GPIx引腳作為音頻時鐘源，以降低功耗，但可能會影響ADC性能。

3. 輸入通道配置

設(shè)備有兩對模擬輸入引腳（INxP和INxM），可配置為差分輸入或單端輸入。支持同時錄制最多兩個通道的音頻，輸入源可以是駐極體電容式模擬麥克風(fēng)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）模擬麥克風(fēng)或系統(tǒng)板的線路輸入。此外，如果使用數(shù)字PDM麥克風(fēng)進(jìn)行錄制，IN2P_GPI1、IN2M_GPO1、GPIO1和MICBIAS_GPI2引腳可重新配置以支持最多四個數(shù)字麥克風(fēng)錄制通道。

4. 參考電壓

PCM3120 - Q1通過內(nèi)部帶隙電路生成低噪聲參考電壓，具有高電源抑制比（PSRR）性能。參考電壓需通過連接在VREF引腳和模擬地（AVSS）之間的至少1 - μF電容進(jìn)行外部濾波。參考電壓值可通過寄存器位進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同的滿量程輸入和AVDD電源電壓。

5. 可編程麥克風(fēng)偏置

設(shè)備集成了低噪聲麥克風(fēng)偏置引腳，可用于偏置駐極體電容式麥克風(fēng)或?yàn)镸EMS模擬或數(shù)字麥克風(fēng)提供電源。集成的偏置放大器支持最大5 mA的負(fù)載電流，可用于多個麥克風(fēng)，并提供高PSRR、低噪聲和可編程偏置電壓，以滿足不同麥克風(fēng)組合的需求。

6. 信號鏈處理

信號鏈由低噪聲、高性能、低功耗的模擬模塊和高度靈活的可編程數(shù)字處理模塊組成。前端可編程增益放大器（PGA）具有低噪聲和高動態(tài)范圍性能，與多比特ΔΣ ADC配合使用，可實(shí)現(xiàn)高保真的音頻錄制。此外，設(shè)備還集成了可編程雙二階濾波器、相位校準(zhǔn)、增益校準(zhǔn)、高通濾波器、數(shù)字求和器或混合器等功能，可有效去除帶外噪聲，提高音頻質(zhì)量。

7. 自動增益控制器（AGC）

AGC可在錄制語音時保持輸出電平基本恒定。當(dāng)輸入信號過強(qiáng)或過弱時，電路會自動調(diào)整通道增益。AGC算法具有多個可編程參數(shù)，包括目標(biāo)電平、最大允許增益、攻擊和釋放（或衰減）時間常數(shù)以及噪聲閾值，可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)。

8. 語音活動檢測（VAD）

PCM3120 - Q1支持VAD模式，可連續(xù)監(jiān)測一個輸入通道的語音信號。在該模式下，設(shè)備從AVDD電源消耗的靜態(tài)電流較低。檢測到語音活動時，設(shè)備可通過中斷通知主機(jī)或自動喚醒并開始錄制。該功能在模擬和數(shù)字麥克風(fēng)接口上均支持，為低功耗語音檢測應(yīng)用提供了便利。

9. 數(shù)字PDM麥克風(fēng)記錄通道

除了支持模擬麥克風(fēng)外，設(shè)備還可與數(shù)字脈沖密度調(diào)制（PDM）麥克風(fēng)接口，并使用高階高性能抽取濾波器生成脈沖編碼調(diào)制（PCM）輸出數(shù)據(jù)，可通過音頻串行接口傳輸?shù)街鳈C(jī)。設(shè)備支持最多四個數(shù)字麥克風(fēng)錄制通道，可根據(jù)需要靈活配置。

10. 中斷、狀態(tài)和數(shù)字I/O引腳復(fù)用

某些事件（如音頻串行接口總線錯誤）可觸發(fā)中斷通知主機(jī)處理器。設(shè)備具有只讀實(shí)時狀態(tài)寄存器，可用于確定通道的電源狀態(tài)和設(shè)備是否處于睡眠模式。此外，設(shè)備的GPIO1引腳具有多功能性，可根據(jù)需要配置為不同的功能，以滿足不同系統(tǒng)的需求。

三、設(shè)備功能模式

1. 睡眠模式或軟件關(guān)機(jī)

在睡眠模式下，設(shè)備從AVDD電源消耗的靜態(tài)電流非常低，同時允許通過I2C通信喚醒設(shè)備進(jìn)行主動操作。進(jìn)入睡眠模式時，設(shè)備會降低錄制數(shù)據(jù)的音量，關(guān)閉模擬和數(shù)字模塊，但會保留設(shè)備配置寄存器和可編程系數(shù)的最后編程值。

2. 活動模式

退出睡眠模式后，設(shè)備進(jìn)入活動模式，可通過I2C事務(wù)對設(shè)備進(jìn)行配置和上電操作。在活動模式下，需等待至少1 ms讓設(shè)備完成內(nèi)部喚醒序列后，才能開始進(jìn)行I2C事務(wù)。

3. 軟件復(fù)位

通過設(shè)置SW_RESET寄存器位可進(jìn)行軟件復(fù)位，復(fù)位后設(shè)備將關(guān)閉，并將所有設(shè)備配置寄存器和可編程系數(shù)恢復(fù)到默認(rèn)值。

四、編程與寄存器映射

設(shè)備的配置寄存器和可編程系數(shù)可通過I2C通信進(jìn)行設(shè)置。寄存器采用頁方案進(jìn)行映射，每個頁包含128個配置寄存器。所有設(shè)備配置寄存器存儲在頁0，可編程系數(shù)寄存器位于頁2、頁3和頁4。通過設(shè)置PAGE[7:0]位可切換當(dāng)前頁。

1. I2C控制接口

設(shè)備支持I2C控制協(xié)議，作為目標(biāo)設(shè)備可在標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和快速模式加下運(yùn)行。I2C目標(biāo)地址固定為1001110，若設(shè)置I2C_BRDCAST_EN位為1'b1，則目標(biāo)地址固定為1001100，以支持同時對多個設(shè)備進(jìn)行I2C廣播通信。

2. 寄存器映射

文檔詳細(xì)介紹了各頁寄存器的功能和配置方法，包括設(shè)備配置寄存器、可編程系數(shù)寄存器等。在使用時，需注意不要讀取或?qū)懭氡Ａ繇摶虮Ａ艏拇嫫?，對于有效寄存器中的保留位，?yīng)僅寫入默認(rèn)值。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用

• 兩通道模擬麥克風(fēng)錄制：適用于需要同時錄制兩個通道音頻的應(yīng)用場景，如音頻會議、錄音設(shè)備等。設(shè)計(jì)時需注意輸入AC耦合電容的選擇，以獲得最佳失真性能。
• 四通道數(shù)字PDM麥克風(fēng)錄制：可滿足對多通道數(shù)字音頻錄制的需求，如麥克風(fēng)陣列、語音識別系統(tǒng)等。在配置時，需將相關(guān)引腳配置為數(shù)字麥克風(fēng)輸入和時鐘輸出功能。

2. 電源供應(yīng)建議

電源供應(yīng)順序可任意，但所有電源穩(wěn)定后才能開始I2C事務(wù)初始化設(shè)備。電源上電和下電時需滿足一定的時間要求，以確保設(shè)備正常運(yùn)行。同時，需注意電源斜坡速率和等待時間，避免對設(shè)備造成損壞。

3. 布局指南

為了優(yōu)化設(shè)備性能，布局時需遵循一些指南，如將散熱墊連接到地、將電源去耦電容靠近設(shè)備引腳放置、差分路由模擬音頻信號、避免數(shù)字和模擬信號交叉等。

六、總結(jié)

PCM3120 - Q1作為一款高性能的音頻ADC，具有豐富的功能和出色的性能，為音頻應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。其靈活的配置選項(xiàng)、集成的多種功能以及低功耗特性，使其在各種音頻系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理配置設(shè)備的參數(shù)和功能，同時注意電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)勢。你在使用PCM3120 - Q1或類似音頻ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。