高性能音頻利器：PCM1794A - Q1 DAC深度解析

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的性能往往決定了整個(gè)系統(tǒng)的音質(zhì)表現(xiàn)。今天，我們就來(lái)深入剖析一款備受矚目的DAC——PCM1794A - Q1，它來(lái)自德州儀器（TI），專為追求極致音頻體驗(yàn)的應(yīng)用場(chǎng)景打造。

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一、PCM1794A - Q1簡(jiǎn)介

PCM1794A - Q1是一款24位、192kHz采樣的高級(jí)分段音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用28引腳SSOP封裝。它具備諸多出色特性，適用于汽車(chē)、音頻接收器、樂(lè)器等多種對(duì)音質(zhì)要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.1 特性亮點(diǎn)

• 汽車(chē)級(jí)應(yīng)用資質(zhì)：通過(guò)AEC - Q100認(rèn)證，可在 - 40°C至 + 125°C的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作，HBM分類為2級(jí)，CDM分類為C6級(jí)，確保了在汽車(chē)等惡劣環(huán)境中的可靠性。
• 高分辨率與出色動(dòng)態(tài)性能：24位分辨率，動(dòng)態(tài)范圍最高可達(dá)132dB（9V RMS，單聲道），THD + N低至0.0004%，能還原出極其純凈、細(xì)膩的音頻信號(hào)。
• 靈活的數(shù)字處理：支持8倍過(guò)采樣數(shù)字濾波器，可選擇不同的滾降特性（尖銳或緩慢），還具備數(shù)字去加重功能，能有效優(yōu)化音頻信號(hào)的處理效果。
• 多格式支持：接受16位和24位音頻數(shù)據(jù)，支持標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對(duì)齊等PCM數(shù)據(jù)格式，方便與各種音頻源設(shè)備進(jìn)行接口。
• 低功耗與小封裝：采用雙電源供電（5V模擬，3.3V數(shù)字），5V耐壓數(shù)字輸入，且封裝小巧，節(jié)省了電路板空間。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

• 汽車(chē)音響系統(tǒng)：無(wú)論是汽車(chē)主機(jī)還是車(chē)載音響，PCM1794A - Q1都能提供高品質(zhì)的音頻輸出，滿足用戶在行車(chē)過(guò)程中的音樂(lè)享受。
• A/V接收器：為家庭影院系統(tǒng)帶來(lái)出色的音頻解碼和轉(zhuǎn)換能力，讓用戶沉浸在震撼的音效之中。
• 樂(lè)器：在電子樂(lè)器中，能夠精確還原各種音色，為音樂(lè)創(chuàng)作和演奏提供有力支持。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

2.1 絕對(duì)最大額定值與ESD評(píng)級(jí)

在使用PCM1794A - Q1時(shí)，必須嚴(yán)格遵守其絕對(duì)最大額定值，如電源電壓范圍、輸入電流限制等，以避免對(duì)器件造成永久性損壞。同時(shí)，該器件具備一定的ESD防護(hù)能力，HBM為 + 2500V，CDM為 ± 1500V，但在操作過(guò)程中仍需注意靜電防護(hù)。

2.2 推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓、工作溫度等。例如，模擬電源電壓建議在4.75V至5.25V之間，數(shù)字電源電壓為3.3V，工作溫度范圍為 - 25°C至85°C，這樣能確保器件發(fā)揮最佳性能。

2.3 電氣特性

• 動(dòng)態(tài)性能：在不同的輸出電壓和采樣頻率下，PCM1794A - Q1都展現(xiàn)出了卓越的動(dòng)態(tài)性能，如動(dòng)態(tài)范圍、THD + N、信噪比等指標(biāo)都非常出色。
• 數(shù)字濾波器性能：其數(shù)字濾波器的通帶紋波極?。ā?0.00001dB），阻帶衰減高達(dá) - 130dB，能有效濾除噪聲和干擾。
• 模擬輸出特性：輸出電流為7.8mA p - p，增益誤差、增益失配和雙極零誤差等指標(biāo)都在合理范圍內(nèi)，保證了音頻信號(hào)的準(zhǔn)確輸出。

2.4 時(shí)序要求

系統(tǒng)時(shí)鐘輸入、外部復(fù)位和音頻接口等都有嚴(yán)格的時(shí)序要求。例如，系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖周期時(shí)間最小為13ns，復(fù)位脈沖低電平持續(xù)時(shí)間最小為20ns等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須確保滿足這些時(shí)序要求，否則可能會(huì)導(dǎo)致器件工作異常。

三、功能模塊剖析

3.1 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

PCM1794A - Q1通過(guò)SCK輸入引腳獲取系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘用于驅(qū)動(dòng)數(shù)字插值濾波器和高級(jí)分段DAC調(diào)制器。它能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率，支持多種常見(jiàn)的音頻采樣率對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。為了獲得最佳性能，建議使用低相位抖動(dòng)和噪聲的時(shí)鐘源，如TI的PLL1700系列多時(shí)鐘發(fā)生器。

3.2 電源與復(fù)位功能

該器件具備上電復(fù)位功能，當(dāng)VDD > 2V時(shí)，上電復(fù)位功能啟動(dòng)，初始化序列需要1024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。此外，還支持外部復(fù)位，通過(guò)RST引腳可強(qiáng)制器件初始化到默認(rèn)復(fù)位狀態(tài)。

3.3 音頻數(shù)據(jù)接口

• 音頻串行接口：采用3線串行端口，包括LRCK、BCK和DATA。BCK用于將串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到音頻接口的串行移位寄存器，串行數(shù)據(jù)在BCK的上升沿被時(shí)鐘輸入。LRCK為左右聲道字時(shí)鐘，需要與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。
• PCM音頻數(shù)據(jù)格式：支持標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對(duì)齊等多種音頻數(shù)據(jù)格式，通過(guò)FMT1和FMT0引腳進(jìn)行選擇。所有格式都要求二進(jìn)制補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)。

3.4 音頻數(shù)據(jù)格式選擇

通過(guò)MONO、CHSL、FMT1和FMT0引腳的不同組合，可以選擇多種音頻數(shù)據(jù)格式、立體聲/單聲道模式以及數(shù)字濾波器的滾降特性，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

3.5 軟靜音與去加重功能

• 軟靜音：當(dāng)MUTE引腳置為高電平時(shí)，模擬輸出以 - 0.5dB的步長(zhǎng)過(guò)渡到雙極零電平，過(guò)渡速度為1 / fS每步，實(shí)現(xiàn)無(wú)噗聲靜音。
• 去加重：針對(duì)44.1kHz的采樣頻率，該器件具備去加重濾波器，通過(guò)DEM引腳進(jìn)行控制。

3.6 零檢測(cè)功能

當(dāng)檢測(cè)到左右聲道的音頻輸入數(shù)據(jù)連續(xù)1024個(gè)LRCK周期（PCM模式）或1024個(gè)WDCK周期（外部濾波器模式）為零時(shí)，ZERO引腳置為高電平。

3.7 高級(jí)分段DAC架構(gòu)

PCM1794A - Q1采用TI的高級(jí)分段DAC架構(gòu)，將數(shù)字輸入數(shù)據(jù)分為6位高位和18位低位進(jìn)行處理。高位轉(zhuǎn)換為反互補(bǔ)偏移二進(jìn)制（ICOB）碼，低位通過(guò)五級(jí)、三階delta - sigma調(diào)制器處理，最后通過(guò)數(shù)據(jù)加權(quán)平均（DWA）減少元件失配產(chǎn)生的噪聲，實(shí)現(xiàn)了出色的動(dòng)態(tài)性能。

3.8 模擬輸出

數(shù)字輸入代碼與模擬輸出之間存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)差分電流輸出，用戶可以在外部?jī)?yōu)化模擬性能。

四、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

4.1 應(yīng)用信息

在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，要充分考慮噪聲和失真對(duì)音頻性能的影響。不同的輸出電平會(huì)影響動(dòng)態(tài)范圍和信噪比，例如輸出電平為2V RMS時(shí)，信噪比可達(dá)127dB；輸出電平為4.5V RMS時(shí)，立體聲模式下信噪比可達(dá)129dB；單聲道模式下，使用左右聲道的平衡輸出，信噪比可高達(dá)132dB。

4.2 I/V部分

PCM1794A - Q1每個(gè)輸出引腳的電流在0dB（滿量程）時(shí)為7.8mA p - p，可通過(guò)公式Vi = 7.8mA p - p × Rf計(jì)算I/V轉(zhuǎn)換器的電壓輸出電平。推薦使用NE5534運(yùn)算放大器，其動(dòng)態(tài)性能會(huì)影響I/V部分的音頻動(dòng)態(tài)性能。

4.3 差分部分

電壓輸出后接差分放大器級(jí)，用于求和差分信號(hào)并提供低通濾波功能。推薦使用Linear Technology LT1028運(yùn)算放大器，因其輸入噪聲低。

4.4 與外部數(shù)字濾波器接口

在某些應(yīng)用中，可能需要使用可編程數(shù)字信號(hào)處理器作為外部數(shù)字濾波器。通過(guò)特定的引腳設(shè)置（MONO = LOW、CHSL = HIGH、FMTO = HIGH、FMT1 = HIGH）可啟用外部數(shù)字濾波器應(yīng)用模式。外部數(shù)字濾波器的字時(shí)鐘（WDCK）必須以8×或4×期望的采樣頻率fs運(yùn)行。

五、電源與布局建議

5.1 電源供應(yīng)

PCM1794A - Q1需要5V（標(biāo)稱）電源，模擬電路由VCC1、VCC2L和VCC2R引腳供電，數(shù)字電路由VDD引腳供電。雖然這些引腳可以由同一5V電源軌供電，但在某些情況下，分開(kāi)供電有助于提高目標(biāo)信噪比和THD。同時(shí)，要將電源去耦電容靠近器件引腳放置。

5.2 布局準(zhǔn)則

• 建議將AGND和DGND使用同一接地，避免兩者之間出現(xiàn)電壓差。
• 確保數(shù)字信號(hào)的回流電流避開(kāi)AGND引腳或I/V級(jí)的輸入信號(hào)。
• 盡量避免高頻時(shí)鐘和控制信號(hào)靠近AGND或I OUT引腳。
• 將去耦電容盡可能靠近Vcc1、VCC2L、VCC2R、VCOML、VCOMR和VDD引腳放置。

六、總結(jié)

PCM1794A - Q1憑借其出色的性能、豐富的功能和靈活的應(yīng)用特性，成為了音頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一顆璀璨明星。無(wú)論是在汽車(chē)音響、家庭影院還是樂(lè)器等應(yīng)用中，它都能為用戶帶來(lái)高品質(zhì)的音頻體驗(yàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電子工程師們需要深入理解其技術(shù)規(guī)格和功能模塊，合理設(shè)計(jì)應(yīng)用電路和布局，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢(shì)。你在使用類似DAC器件時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。