剖析PCM186x - Q1：汽車音頻ADC的高性能解決方案

作為一名電子工程師，在設(shè)計音頻系統(tǒng)時，一款高性能且可靠的音頻ADC至關(guān)重要。今天，我們就來深入剖析德州儀器（Texas Instruments）的PCM186x - Q1系列汽車級音頻ADC，看看它能為我們帶來哪些驚喜。

文件下載：pcm1862-q1.pdf

產(chǎn)品概述

PCM186x - Q1系列包括PCM1860 - Q1、PCM1861 - Q1、PCM1862 - Q1、PCM1863 - Q1、PCM1864 - Q1和PCM1865 - Q1等型號，專為汽車應(yīng)用而設(shè)計。這些ADC采用了新的音頻功能集成方法，既滿足了歐洲生態(tài)設(shè)計法規(guī)的要求，又能以較低的成本實現(xiàn)高性能的終端產(chǎn)品。它們支持單電源3.3V供電，在小封裝內(nèi)集成了可編程增益放大器（PGA），非常適合設(shè)計更小巧、智能且低成本的產(chǎn)品。

核心特性

1. 汽車級認證與高可靠性

該系列產(chǎn)品通過了AEC - Q100汽車應(yīng)用認證，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，能夠適應(yīng)惡劣的汽車環(huán)境。同時，其HBM ESD分類等級為2，CDM ESD分類等級為C5，具備良好的靜電防護能力，保障了產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性。

2. 出色的信噪比（SNR）性能

不同型號的產(chǎn)品在SNR性能上有所差異。其中，PCM1861 - Q1/63 - Q1/65 - Q1的SNR高達110dB，而PCM1860 - Q1/62 - Q1/64 - Q1也能達到103dB。高SNR性能意味著該ADC能夠更好地還原音頻信號，減少噪聲干擾，為用戶帶來更純凈的音頻體驗。

3. 靈活的采樣率與多通道支持

ADC采樣率范圍為8kHz至192kHz，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行靈活配置。而且，它最多支持四個獨立的ADC通道，為多聲道音頻處理提供了可能。輸入模式方面，支持單端2.1 - VRMS全量程輸入和差分4.2 - VRMS全量程輸入，能夠適應(yīng)多種音頻信號源。

4. 控制方式多樣

硬件控制的PCM1860 - Q1/61 - Q1通過引腳配置實現(xiàn)功能控制，操作簡單直觀；軟件控制的PCM1862 - Q1/63 - Q1/64 - Q1/65 - Q1則支持I2C或SPI接口，可通過編程實現(xiàn)更復(fù)雜的功能配置。此外，軟件控制的設(shè)備還支持最多四個數(shù)字麥克風(fēng)，進一步拓展了音頻輸入的可能性。

5. 可編程增益放大器

PCM186x - Q1采用了兩級可編程增益放大器（PGA），模擬部分實現(xiàn)粗增益調(diào)整，數(shù)字部分實現(xiàn)細增益調(diào)整。硬件控制的PCM1860 - Q1/61 - Q1提供固定增益選項，如0dB、12dB、32dB；而軟件控制的PCM1862 - Q1/63 - Q1/64 - Q1/65 - Q1則支持 - 12dB至 + 32dB的可編程增益，且增益步長可精確到0.5dB，能夠滿足不同音頻信號的放大需求。

6. 低功耗設(shè)計

在3.3V電源電壓下，不同型號的功耗有所不同，但總體都處于較低水平。例如，PCM1860 - Q1/61 - Q1/62 - Q1/63 - Q1的功耗小于85mW，PCM1864 - Q1/65 - Q1的功耗小于145mW。此外，該系列產(chǎn)品還具有Energy sense音頻內(nèi)容檢測功能，可實現(xiàn)自動系統(tǒng)喚醒和睡眠，進一步降低功耗。

7. 其他特性

• 集成了高性能音頻PLL，可提供穩(wěn)定的時鐘信號，保證音頻處理的準確性。
• 支持主從音頻接口模式，方便與其他音頻設(shè)備進行連接和協(xié)同工作。
• 具備自動PGA削波抑制控制功能，可有效避免音頻信號在放大過程中出現(xiàn)削波失真。
• 所有設(shè)備的PCB引腳封裝兼容，方便在不同型號之間進行替換和升級。

應(yīng)用領(lǐng)域

PCM186x - Q1系列產(chǎn)品非常適合多種汽車音頻應(yīng)用場景，包括汽車主機、外部汽車放大器和遠程信息處理控制單元（TCU）等。其高性能和高可靠性能夠滿足汽車音頻系統(tǒng)對音質(zhì)、穩(wěn)定性和低功耗的嚴格要求。

詳細功能解析

1. 模擬前端

PCM186x - Q1的模擬前端具有極高的靈活性，可接受單端或差分輸入。在單端模式下，支持最高2.1VRMS的輸入；在差分模式下，支持最高4.2VRMS的輸入。MIX和MUX電路允許在單端和差分模式下對模擬輸入進行混合和復(fù)用，但需要注意的是，在PGA之前沒有單獨的增益控制。此外，為了確保正確的直流偏置條件，模擬輸入需要使用直流阻塞電容。

2. 麥克風(fēng)支持

該系列產(chǎn)品支持模擬和數(shù)字麥克風(fēng)。對于模擬麥克風(fēng)，需要提供2.6V的偏置電壓；對于數(shù)字麥克風(fēng)，2通道的ADC型號可支持兩個數(shù)字麥克風(fēng)，4通道的型號則可支持最多四個數(shù)字麥克風(fēng)。不同型號的產(chǎn)品在數(shù)字麥克風(fēng)模式下的增益選項有所不同，用戶可根據(jù)實際需求進行選擇。

3. 輸入多路復(fù)用器

硬件控制的PCM1860 - Q1和PCM1861 - Q1可通過MD2、MD5和MD6配置引腳實現(xiàn)寬增益范圍的控制；軟件控制的PCM1862 - Q1、PCM1863 - Q1、PCM1864 - Q1和PCM1865 - Q1則可通過寄存器選擇實現(xiàn)輸入信號的混合和復(fù)用，還能對輸入信號的極性進行反轉(zhuǎn)，使用起來更加靈活。

4. 時鐘系統(tǒng)

PCM186x - Q1的時鐘架構(gòu)極為靈活，可作為時鐘主設(shè)備或從設(shè)備。它可以從外部晶體或CMOS電平時鐘獲取主時鐘，并且集成了片上PLL，能夠從1MHz至50MHz的任何時鐘源生成實際音頻速率的時鐘。不同的時鐘模式（如ADC主模式、ADC從模式、ADC從PLL模式和ADC非音頻MCK模式）可根據(jù)實際應(yīng)用場景進行選擇，同時還可以通過寄存器對時鐘進行配置和管理。

5. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）

主音頻ADC的SNR表現(xiàn)出色，不同型號有所差異。此外，該系列產(chǎn)品還配備了一個輔助ADC，主要用于信號電平檢測或直流電平變化檢測。在睡眠模式下，輔助ADC可切換時鐘源為片上振蕩器，以實現(xiàn)低功耗運行。輔助ADC支持兩種主要功能：Energy sense和Control sense，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行配置，并且都能在閾值跨越時生成中斷信號。

6. Energy sense功能

為了滿足歐洲生態(tài)設(shè)計法規(guī)對產(chǎn)品待機功耗的要求，PCM186x - Q1增加了Energy sense功能。該功能可與微控制器配合使用，在音頻信號丟失或恢復(fù)時觸發(fā)中斷信號，從而通知微控制器改變設(shè)備的工作狀態(tài)。Energy sense功能分為信號丟失標志和信號恢復(fù)標志兩部分，不同型號的產(chǎn)品支持的功能可能有所不同。

7. 音頻處理

DSP1和DSP2是固定功能的處理器，用于執(zhí)行濾波、混合、信號檢測和管理等多種功能。通過間接使用Page1上的寄存器，可以對DSP的系數(shù)進行編程。在數(shù)字處理方面，包括數(shù)字抽取濾波器、數(shù)字PGA和數(shù)字混合功能等，這些功能可幫助工程師實現(xiàn)更復(fù)雜的音頻處理需求。

8. 其他功能

• Fade - In和Fade - Out功能：可避免音頻信號在設(shè)備啟動、關(guān)閉、靜音或取消靜音時出現(xiàn)爆音，提升音頻播放的平滑度。
• 可配置的GPIO引腳：軟件控制的設(shè)備上的所有GPIO引腳都可配置為不同的功能，并且可以反轉(zhuǎn)極性，方便與其他電路進行協(xié)同工作。
• 中斷控制器：硬件控制的設(shè)備僅有Energy sense信號檢測作為默認中斷輸出，而軟件控制的設(shè)備則有多個信號可映射到中斷輸出，包括Energy sense、輔助ADC控制感測中斷、PGA削波和DIN切換等。

應(yīng)用與設(shè)計考慮

1. 應(yīng)用信息

在設(shè)計應(yīng)用時，需要考慮設(shè)備的控制方法（硬件控制或軟件控制）、電源供應(yīng)選項（單電源、分離的模擬和數(shù)字電源、分離的IO電源）、主時鐘源（外部CMOS電平時鐘或外部晶體）以及模擬輸入配置（單端或差分）等因素。例如，在典型的應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的型號和配置方式，以實現(xiàn)最佳的性能和功能。

2. 電源供應(yīng)

PCM186x - Q1使用AVDD、DVDD和IOVDD三個內(nèi)部電源軌，分別為模擬電路、數(shù)字時鐘電路和輸入/輸出數(shù)字電路供電。片上集成的LDO可將外部3.3V轉(zhuǎn)換為數(shù)字核心所需的1.8V。在設(shè)計電源供應(yīng)時，需要確保滿足設(shè)備的最低電源要求，避免出現(xiàn)欠壓情況。同時，還可以通過旁路片上LDO并提供1.8V電源來降低功耗，但需要注意TDM模式下的頻率限制。

3. 布局設(shè)計

在進行PCB布局時，應(yīng)采用最佳的設(shè)計實踐，將模擬和數(shù)字部分分開布局，避免數(shù)字噪聲干擾模擬信號。同時，應(yīng)將去耦電容盡可能靠近電源引腳放置，以減少電源噪聲。此外，使用單層接地平面可以避免模擬和數(shù)字接地之間的電位差，提高設(shè)備的性能。

4. 寄存器映射

軟件控制的設(shè)備通過寄存器映射進行配置，寄存器分為四個頁面：0、1、3和253。不同的頁面負責(zé)不同的功能配置，如設(shè)備配置、DSP系數(shù)編程和低功耗設(shè)置等。在使用寄存器時，需要仔細閱讀文檔，確保正確配置寄存器以實現(xiàn)所需的功能。

總之，PCM186x - Q1系列汽車音頻ADC以其高性能、高可靠性和靈活性，為汽車音頻系統(tǒng)的設(shè)計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。作為電子工程師，我們可以充分利用其豐富的功能和特性，設(shè)計出更加優(yōu)質(zhì)的汽車音頻產(chǎn)品。大家在實際應(yīng)用中如果遇到問題，歡迎在評論區(qū)留言討論哦！