探索PCMD3140：高性能PDM到TDM/I2S轉(zhuǎn)換器的深度剖析

在如今的音頻處理領(lǐng)域，高性能、低功耗且功能豐富的音頻轉(zhuǎn)換器一直是工程師們所追求的目標(biāo)。德州儀器（Texas Instruments）的PCMD3140便是這樣一款值得深入研究的產(chǎn)品，它為音頻處理帶來了全新的解決方案。今天，我們就來詳細(xì)探討一下PCMD3140的特性、功能以及在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：pcmd3140.pdf

產(chǎn)品概述

PCMD3140是一款高性能的脈沖密度調(diào)制（PDM）輸入到時(shí)分復(fù)用（TDM）或I2S輸出的轉(zhuǎn)換器，它支持同時(shí)采樣多達(dá)四個(gè)數(shù)字通道的PDM麥克風(fēng)輸入。該設(shè)備集成了可編程數(shù)字音量控制、麥克風(fēng)偏置電壓、鎖相環(huán)（PLL）、可編程高通濾波器（HPF）、雙二階濾波器、低延遲濾波器模式等功能，并且允許輸出采樣率高達(dá)768 kHz。此外，它還支持TDM、I2S或左對齊（LJ）音頻格式，可通過I2C接口進(jìn)行控制，適用于各種對空間要求較高的音頻系統(tǒng)，如語音激活系統(tǒng)、便攜式計(jì)算、通信和娛樂應(yīng)用等。

核心特性解析

1. 多通道轉(zhuǎn)換與高動態(tài)范圍

PCMD3140支持四個(gè)通道的PDM麥克風(fēng)同時(shí)轉(zhuǎn)換，為多通道音頻采集提供了便利。其動態(tài)范圍表現(xiàn)出色，采用高性能的5階PDM輸入時(shí)，動態(tài)范圍可達(dá)127 dB；采用4階PDM輸入時(shí)，動態(tài)范圍也能達(dá)到117 dB。在通道求和模式下，使用高性能4階PDM輸入，2通道求和的動態(tài)范圍可達(dá)到120 dB，這對于需要高信噪比的應(yīng)用來說至關(guān)重要。

2. 可編程性與靈活性

• 時(shí)鐘與采樣率：PDM時(shí)鐘輸出可編程范圍為768 kHz至6.144 MHz，輸出采樣率（(f_{S})）可編程范圍為8 kHz至768 kHz，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。
• 通道設(shè)置：具備可編程的通道設(shè)置，包括數(shù)字音量控制（范圍為 -100 dB至27 dB）、增益校準(zhǔn)（分辨率為0.1 dB）和相位校準(zhǔn)（分辨率為163 ns），可以對每個(gè)通道進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，以匹配不同的外部組件和麥克風(fēng)靈敏度。
• 濾波器選擇：支持可編程的HPF和雙二階數(shù)字濾波器，以及低延遲信號處理濾波器選擇，可根據(jù)具體應(yīng)用需求對音頻信號進(jìn)行濾波處理。

3. 接口與通信

• 音頻接口：支持TDM、I2S或左對齊（LJ）音頻格式，數(shù)據(jù)字長可編程為16位、20位、24位或32位，并且支持主從接口模式，能夠與各種音頻設(shè)備進(jìn)行無縫通信。
• 控制接口：通過I2C接口進(jìn)行控制，方便對設(shè)備的各種寄存器和可編程系數(shù)進(jìn)行配置。

4. 低功耗與單電源操作

該設(shè)備支持單電源操作，電源電壓可選3.3 V或1.8 V，I/O電源操作也可選3.3 V或1.8 V。在1.8 V電源下，16 kHz采樣率時(shí)，每個(gè)通道的功耗僅為2.8 mW；48 kHz采樣率時(shí)，每個(gè)通道的功耗為3.6 mW，非常適合電池供電的便攜式音頻系統(tǒng)。

功能模塊詳解

1. 串行接口

PCMD3140具有控制和音頻數(shù)據(jù)兩個(gè)串行接口?？刂拼薪涌谟糜谠O(shè)備配置，通過I2C通信可訪問所有寄存器。音頻數(shù)據(jù)串行接口則用于將音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備，支持TDM、I2S和LJ三種格式，并且可以通過寄存器設(shè)置進(jìn)行靈活配置。

2. 鎖相環(huán)（PLL）與時(shí)鐘生成

設(shè)備內(nèi)置智能自動配置模塊，可根據(jù)音頻總線上的FSYNC和BCLK信號頻率自動生成所有必要的內(nèi)部時(shí)鐘。它支持多種輸出數(shù)據(jù)采樣率和BCLK與FSYNC的比率，能夠自動配置所有時(shí)鐘分頻器，包括PLL配置。此外，還支持使用BCLK、GPIO1或GPIx引腳作為音頻時(shí)鐘源，以降低功耗，但在高性能應(yīng)用中，建議使用PLL以確保最佳性能。

3. 參考電壓與麥克風(fēng)偏置

PCMD3140通過內(nèi)部生成低噪聲參考電壓來實(shí)現(xiàn)低噪聲性能，該參考電壓需通過外部1 - μF電容進(jìn)行濾波。麥克風(fēng)偏置輸出可編程，可根據(jù)系統(tǒng)需求提供不同的電壓，并且可以通過GPIO1或GPIx引腳直接控制其電源開關(guān)，方便靈活。

4. 數(shù)字PDM麥克風(fēng)記錄通道

設(shè)備可接口多達(dá)四個(gè)數(shù)字PDM麥克風(fēng)進(jìn)行同時(shí)轉(zhuǎn)換，內(nèi)部使用高階和高性能的抽取濾波器生成脈沖編碼調(diào)制（PCM）輸出數(shù)據(jù)。單個(gè)外部數(shù)字麥克風(fēng)設(shè)備的單比特輸出可連接到GPIx引腳，并且兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)可以共享該數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)放置在PDMCLK的相反邊緣。

5. 信號鏈處理

PCMD3140的信號鏈由多個(gè)可編程數(shù)字處理模塊組成，包括相位校準(zhǔn)、增益校準(zhǔn)、高通濾波器、數(shù)字求和或混合器、雙二階濾波器和音量控制等。這些模塊可以對輸入的音頻信號進(jìn)行精細(xì)處理，以滿足不同應(yīng)用的需求。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 典型應(yīng)用場景

PCMD3140適用于多種音頻應(yīng)用場景，如視頻門鈴、智能音箱、建筑安全網(wǎng)關(guān)、IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、GPS個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備和視頻會議系統(tǒng)等。在這些應(yīng)用中，它可以實(shí)現(xiàn)多通道音頻采集、處理和傳輸，為系統(tǒng)提供高質(zhì)量的音頻數(shù)據(jù)。

2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 電源供應(yīng)：電源供應(yīng)順序可以任意，但必須在所有電源穩(wěn)定后再進(jìn)行I2C事務(wù)以初始化設(shè)備。電源上升和下降時(shí)間需要滿足一定要求，以確保設(shè)備正常工作。
• 布局設(shè)計(jì)：布局時(shí)需要注意將熱焊盤連接到地，使用低ESR的陶瓷去耦電容并靠近設(shè)備引腳放置，避免數(shù)字和模擬信號交叉，以防止串?dāng)_。同時(shí)，要合理放置MICBIAS電容，減少走線阻抗。
• 寄存器配置：在使用設(shè)備前，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求對各種寄存器進(jìn)行配置，包括輸入輸出通道使能、時(shí)鐘配置、濾波器設(shè)置等。在退出睡眠模式后，要按照一定的順序進(jìn)行寄存器配置和操作，以確保設(shè)備正常啟動。

總結(jié)

PCMD3140作為一款高性能的PDM到TDM/I2S轉(zhuǎn)換器，憑借其多通道轉(zhuǎn)換能力、高動態(tài)范圍、可編程性和靈活性等特性，為音頻處理領(lǐng)域帶來了新的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要充分了解其特性和功能，合理進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置，以發(fā)揮其最大優(yōu)勢。希望通過本文的介紹，能讓大家對PCMD3140有更深入的認(rèn)識，在音頻設(shè)計(jì)中更好地應(yīng)用這款產(chǎn)品。

你在使用PCMD3140的過程中遇到過哪些問題？或者對它的某個(gè)特性有更深入的見解？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。