探索PCM182x：高性能音頻ADC的卓越之選

在音頻處理領域，模擬到數(shù)字的轉換是至關重要的一環(huán)，它直接影響著音頻信號的質(zhì)量和處理效果。德州儀器（TI）的PCM182x系列，包括PCM1820和PCM1821，作為高性能的音頻模擬 - 數(shù)字轉換器（ADC），為音頻系統(tǒng)設計帶來了新的可能性。

文件下載：pcm1820.pdf

1. 產(chǎn)品概述

PCM182x是一款立體聲、32位、采樣率高達192kHz的音頻ADC。它支持同時對兩個模擬通道進行采樣，可處理來自差分線路和麥克風的輸入信號，滿量程信號為2 - V RMS，適用于對音頻質(zhì)量和性能要求較高的應用場景。

2. 核心特性亮點

2.1 高轉換性能

• 動態(tài)范圍出色：PCM1820在啟用動態(tài)范圍增強器（DRE）時，動態(tài)范圍可達123 dB；禁用時為113 dB。PCM1821的動態(tài)范圍為106 dB。這使得設備能夠在不同的音頻環(huán)境下，精準地捕捉微弱信號和大動態(tài)音頻，保證了音頻的高保真度。
• 低失真度：總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 - 95 dB，有效減少了音頻信號中的失真和噪聲干擾，還原出純凈的原始音頻。

2.2 靈活的配置選項

• 硬件引腳控制：通過硬件引腳控制（MSZ、MD0、MD1、FMT0），可以方便地選擇設備的工作模式和音頻接口，如主從模式、音頻格式（TDM或I2S）等，滿足多樣化的系統(tǒng)設計需求。
• 濾波模式選擇：支持線性相位或低延遲濾波選擇，可根據(jù)不同應用場景對頻率響應、群延遲和相位線性度的要求進行靈活配置。

2.3 接口與時鐘優(yōu)勢

• 音頻串行接口：具備靈活的音頻串行數(shù)據(jù)接口，支持主從模式選擇，可實現(xiàn)32位、2通道的TDM或I2S傳輸，方便與各種主機處理器進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。
• 集成PLL：內(nèi)置高性能音頻鎖相環(huán)（PLL），支持多種輸出數(shù)據(jù)采樣率和BCLK到FSYNC的比率配置，無需主機編程即可自動完成時鐘分頻和PLL配置，確保了穩(wěn)定的時鐘信號和準確的采樣頻率。

2.4 低功耗與單電源設計

• 功耗低：采用單電源3.3 V供電，并且具有自動掉電功能，當音頻時鐘丟失時，設備會自動進入低功耗狀態(tài)，降低了整體功耗。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。
• I/O電源靈活：I/O電源支持3.3 V或1.8 V操作，增加了與不同系統(tǒng)的兼容性。

3. 產(chǎn)品應用領域

PCM182x的高性能和靈活性使其在眾多音頻應用中得到廣泛使用：

• 智能音箱：能夠準確地捕捉用戶的語音指令，實現(xiàn)高保真的音頻錄制和播放，提升用戶體驗。
• DVD錄制與播放設備：保證了音頻信號的高質(zhì)量轉換，為用戶帶來清晰、逼真的音軌效果。
• AV接收器：實現(xiàn)多聲道音頻的高質(zhì)量處理和傳輸，打造沉浸式的家庭影院體驗。
• 視頻會議系統(tǒng)：清晰準確地采集和傳輸語音信號，確保遠程溝通的質(zhì)量。
• IP網(wǎng)絡攝像機：在監(jiān)控過程中，同步錄制高質(zhì)量的音頻，提供更全面的監(jiān)控信息。

4. 技術細節(jié)剖析

4.1 引腳功能與配置

PCM182x采用20引腳的WQFN封裝，各引腳具有特定的功能。例如，INxP和INxM為模擬輸入引腳，用于連接麥克風或線路輸入；SDOUT為數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸出引腳；BCLK和FSYNC分別為音頻串行數(shù)據(jù)接口的位時鐘和幀同步信號。通過對這些引腳的合理配置，可以實現(xiàn)設備的各種功能模式。

4.2 音頻接口協(xié)議

• TDM接口：在TDM模式下，F(xiàn)SYNC的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，從槽0數(shù)據(jù)開始，依次傳輸其余槽的數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)位（除槽0的MSB在特定條件下）在BCLK的上升沿傳輸。
• I2S接口：I2S模式遵循標準協(xié)議，左右聲道的MSB分別在FSYNC的特定邊沿觸發(fā)后，在BCLK的下降沿傳輸后續(xù)數(shù)據(jù)。

4.3 時鐘與鎖相環(huán)

• 在從模式下，設備根據(jù)支持的FSYNC和BCLK頻率，自動配置內(nèi)部時鐘分頻器和PLL，確保穩(wěn)定的時鐘信號。
• 主模式下，使用MD1引腳作為系統(tǒng)時鐘參考輸入，通過MD0引腳選擇系統(tǒng)時鐘頻率為256 × fS或512 × fS。

4.4 輸入通道與信號處理

• 設備具有兩對差分模擬輸入引腳，支持同時對兩個通道進行錄音。輸入信號應采用交流耦合方式，并且為了獲得最佳的失真性能，建議使用低電壓系數(shù)的電容進行交流耦合。
• 信號處理鏈包括前端動態(tài)范圍增強器（DRE）、低噪聲放大器、多比特ΔΣ ADC和數(shù)字抽取濾波器。DRE可自動調(diào)整內(nèi)部放大器增益，提高整體通道的動態(tài)范圍和性能；數(shù)字抽取濾波器可根據(jù)需要選擇線性相位或低延遲濾波器，對采樣數(shù)據(jù)進行處理。

4.5 參考電壓與濾波器

• 內(nèi)部通過帶隙電路生成低噪聲參考電壓，VREF引腳需連接至少1 - μF的電容到模擬地進行濾波，VREF值為2.75 V，支持2 - V RMS的差分滿量程輸入。
• 設備內(nèi)置固定的高通濾波器（HPF），可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。

5. 設計與應用建議

5.1 電源供應

• 電源供應順序可以是IOVDD和AVDD任意順序，但必須在電源電壓穩(wěn)定到支持的工作電壓范圍后再提供時鐘信號。
• 電源上升和下降時間有一定要求，t1和t2至少為100 μs（上電），t3和t4至少為10 ms（下電），且電源斜坡速率應慢于1 V/μs，兩次電源操作之間的等待時間至少為100 ms。

5.2 布局設計

• 熱管理：將散熱墊連接到地，并使用過孔圖案將其與接地平面連接，有助于散熱。
• 去耦電容：電源去耦電容應靠近設備引腳放置，以減少電源噪聲。
• 信號布線：模擬差分音頻信號應在PCB上進行差分布線，避免與數(shù)字信號交叉，防止串擾。同時，VREF外部電容的接地端應直接連接到AVSS引腳，不使用過孔。
• 接地處理：使用接地平面為電源和信號電流提供低阻抗路徑，將設備下方區(qū)域作為中央接地區(qū)域，所有設備接地都應直接連接到該區(qū)域。

5.3 應用電路設計

在典型應用中，如使用立體聲模擬MEMS麥克風進行同時錄音操作時，需要注意輸入AC耦合電容的選擇，建議使用低電壓系數(shù)的電容以獲得最佳失真性能。同時，按照設計要求正確配置硬件控制引腳（MSZ、FMT0、MD0、MD1），并提供合適的FSYNC和BCLK時鐘信號。

6. 總結

PCM182x系列音頻ADC憑借其出色的性能、靈活的配置選項和低功耗設計，為音頻系統(tǒng)設計提供了強大的支持。無論是在消費電子、專業(yè)音頻設備還是工業(yè)應用中，都能夠滿足對高質(zhì)量音頻處理的需求。作為電子工程師，在設計音頻相關產(chǎn)品時，PCM182x無疑是一個值得考慮的優(yōu)秀選擇。你在實際應用中是否遇到過類似高性能ADC的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。