探索PCM182x音頻ADC：性能、特性與應(yīng)用全解析

在音頻處理領(lǐng)域，高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)音頻采集和處理的關(guān)鍵。德州儀器（TI）的PCM182x系列，包括PCM1820和PCM1821，以其卓越的性能和豐富的特性，在音頻應(yīng)用中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力。今天，我們就來深入探討PCM182x音頻ADC的相關(guān)特性、應(yīng)用場景以及設(shè)計要點。

文件下載：pcm1821.pdf

一、PCM182x的核心特性

1. 高性能立體聲ADC

PCM182x是一款立體聲高性能ADC，支持2通道模擬麥克風(fēng)或線路輸入。其差分輸入性能表現(xiàn)出色，不同型號在動態(tài)范圍上有所差異。例如，PCM1820在動態(tài)范圍增強(qiáng)器啟用時可達(dá)123 dB，禁用時為113 dB；PCM1821的動態(tài)范圍為106 dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 -95 dB，能夠為音頻信號的采集提供高精度和低失真的保障。

2. 靈活的采樣率和接口配置

該系列ADC的采樣率范圍為8 kHz至192 kHz，可滿足不同音頻應(yīng)用的需求。同時，它支持硬件引腳控制配置，用戶可以通過引腳設(shè)置來選擇線性相位或低延遲濾波器，以適應(yīng)不同的音頻處理場景。在音頻串行數(shù)據(jù)接口方面，PCM182x具有高度的靈活性，支持主或從接口選擇，以及32位、2通道的時分復(fù)用（TDM）和I2S格式，方便與各種音頻系統(tǒng)進(jìn)行集成。

3. 集成功能與低功耗設(shè)計

PCM182x集成了高性能音頻鎖相環(huán)（PLL），能夠提供穩(wěn)定的時鐘信號，確保音頻數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和傳輸。此外，它還支持單電源3.3 V供電，I/O電源可選擇3.3 V或1.8 V，在不同采樣率下的功耗表現(xiàn)也較為出色。例如，在3.3 V AVDD供電下，16 kHz采樣率時每通道功耗為19.6 mW，48 kHz采樣率時為21.3 mW，適合對功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場景。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

PCM182x的高性能和靈活性使其適用于多種音頻應(yīng)用場景，以下是一些常見的應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 智能音箱

在智能音箱中，PCM182x可以實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻采集，準(zhǔn)確捕捉用戶的語音指令。其高動態(tài)范圍和低失真特性，能夠在不同環(huán)境噪聲下保證語音的清晰度和準(zhǔn)確性，為智能交互提供良好的基礎(chǔ)。

2. 影音設(shè)備

如DVD記錄儀和播放器、AV接收器等，PCM182x可以將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)音頻的存儲和處理。其支持的高采樣率和多通道功能，能夠滿足高清音頻的需求，為用戶帶來更好的視聽體驗。

3. 視頻會議系統(tǒng)

在視頻會議系統(tǒng)中，PCM182x可以實現(xiàn)清晰的語音采集和傳輸，確保遠(yuǎn)程會議的質(zhì)量。其低延遲濾波器選項可以減少音頻延遲，提高會議的實時性和流暢性。

4. IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

對于IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，PCM182x可以同時采集音頻和視頻信號，為監(jiān)控系統(tǒng)提供完整的音視頻記錄。其高集成度和低功耗特性，適合在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等小型設(shè)備中使用。

三、詳細(xì)特性解析

1. 硬件控制與接口選擇

PCM182x支持簡單的硬件引腳控制選項，用戶可以通過MSZ、MD0、MD1和FMT0等引腳來選擇設(shè)備的工作模式和音頻接口。例如，通過MSZ引腳可以選擇主或從模式，在從模式下，F(xiàn)SYNC和BCLK作為輸入引腳；在主模式下，它們作為輸出引腳。通過FMT0引腳可以選擇TDM或I2S音頻串行接口格式，滿足不同系統(tǒng)的通信需求。

2. 鎖相環(huán)與時鐘生成

該系列ADC集成了低抖動的鎖相環(huán)（PLL），用于生成內(nèi)部時鐘。在從模式下，它可以根據(jù)不同的輸出數(shù)據(jù)采樣率和BCLK與FSYNC的比例，自動配置內(nèi)部時鐘分頻器和PLL參數(shù)，無需主機(jī)編程。在主模式下，它使用MD1引腳作為系統(tǒng)時鐘參考輸入，支持256 × fS或512 × fS的系統(tǒng)時鐘頻率，通過MD0引腳進(jìn)行選擇。

3. 輸入通道配置與信號處理

PCM182x具有兩個差分輸入通道，支持同時錄制兩個通道的音頻信號。輸入信號可以來自電容式麥克風(fēng)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）麥克風(fēng)或線路輸入。為了獲得最佳的失真性能，建議使用低電壓系數(shù)的交流耦合電容。在信號處理方面，PCM182x集成了動態(tài)范圍增強(qiáng)器（DRE）（僅PCM1820支持）、數(shù)字高通濾波器（HPF）和可配置的數(shù)字抽取濾波器，能夠有效提高音頻信號的質(zhì)量和處理效率。

動態(tài)范圍增強(qiáng)器（DRE）

DRE是PCM1820的一個重要特性，它是一種數(shù)字輔助算法，能夠根據(jù)輸入信號的幅度自動調(diào)整內(nèi)部放大器的增益，從而提高整個通道的動態(tài)范圍。在低噪聲環(huán)境下，DRE可以實現(xiàn)高達(dá)123 dB的動態(tài)范圍，使設(shè)備能夠捕捉到更微弱的音頻信號；在高噪聲環(huán)境下，它可以減少失真，保證音頻的清晰度。需要注意的是，DRE僅在從模式下可用，并且不支持輸出采樣率大于96 kHz的情況。

數(shù)字高通濾波器（HPF）

HPF用于去除輸入信號中的直流偏移分量和低頻噪聲，其 -3 dB截止頻率為0.00025 × fS。該濾波器是全局適用的，對所有ADC通道都有效，采用一階無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器結(jié)構(gòu)，能夠有效過濾信號中的直流成分。

可配置數(shù)字抽取濾波器

PCM182x的記錄通道包含一個高動態(tài)范圍的數(shù)字抽取濾波器，用于處理來自多位ΔΣ調(diào)制器的過采樣數(shù)據(jù)，生成與FSYNC速率相同的奈奎斯特采樣率的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在從模式下，用戶可以通過MD0引腳選擇線性相位濾波器或低延遲濾波器。線性相位濾波器適用于對相位線性度要求較高的應(yīng)用，能夠在通帶內(nèi)實現(xiàn)零相位偏差；低延遲濾波器則適用于對延遲要求較低的應(yīng)用，具有近似線性的相位響應(yīng)和較短的群延遲。

四、應(yīng)用設(shè)計要點

1. 電源供應(yīng)

在電源供應(yīng)方面，PCM182x的IOVDD和AVDD電源軌的供電順序可以任意，但在電源電壓穩(wěn)定到支持的工作電壓范圍之前，不要提供時鐘信號。在電源上電時，t?和t?至少為100 μs；在電源下電時，t?和t?至少為10 ms。同時，要確保電源的斜坡速率小于1 V/μs，并且在電源下電和上電事件之間的等待時間至少為100 ms。在電源供應(yīng)過程中，所有數(shù)字輸入引腳必須保持在有效輸入電平，且不發(fā)生切換。

2. PCB布局

PCB布局對于PCM182x的性能至關(guān)重要。以下是一些布局指導(dǎo)原則：

• 散熱設(shè)計：將散熱墊連接到地面，使用過孔圖案將設(shè)備的散熱墊與接地平面連接，以幫助散熱。
• 去耦電容：電源的去耦電容應(yīng)靠近設(shè)備引腳放置，以減少電源噪聲。
• 信號布線：模擬差分音頻信號應(yīng)在PCB上進(jìn)行差分布線，以提高抗噪聲能力。避免數(shù)字和模擬信號交叉，防止串?dāng)_。
• 參考電壓濾波：使用外部電容對設(shè)備內(nèi)部的電壓參考進(jìn)行濾波，將濾波電容放置在VREF引腳附近，以獲得最佳性能。
• 接地設(shè)計：使用接地平面為設(shè)備和去耦電容之間的電源和信號電流提供最低阻抗路徑。將設(shè)備正下方的區(qū)域作為設(shè)備的中央接地區(qū)域，所有設(shè)備接地必須直接連接到該區(qū)域。

五、總結(jié)

PCM182x系列音頻ADC以其高性能、靈活性和低功耗的特點，為音頻應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。無論是在智能音箱、影音設(shè)備還是視頻會議系統(tǒng)等領(lǐng)域，它都能夠發(fā)揮出重要的作用。在設(shè)計過程中，我們需要充分了解其特性和應(yīng)用要點，合理進(jìn)行硬件配置和PCB布局，以實現(xiàn)最佳的音頻性能。你在使用PCM182x或其他音頻ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。