德州儀器PCM1789-Q1音頻DAC深度剖析：從特性到應(yīng)用

在音頻領(lǐng)域，一款高性能的數(shù)字-to-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）對(duì)于音質(zhì)的提升起著至關(guān)重要的作用。今天，我們就來(lái)深入了解一下德州儀器（Texas Instruments）的PCM1789-Q1，這是一款專為汽車和消費(fèi)音頻應(yīng)用打造的24位立體聲音頻DAC。

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一、PCM1789-Q1的核心特性

（一）高性能指標(biāo)

PCM1789-Q1在音頻性能上表現(xiàn)卓越。采用增強(qiáng)型多級(jí)ΔΣ調(diào)制器，在(f{S}=48kHz)的差分模式下，總諧波失真加噪聲（THD+N）低至 -94dB，信噪比（SNR）高達(dá)113dB，動(dòng)態(tài)范圍同樣為113dB。它支持8kHz至192kHz的采樣率，系統(tǒng)時(shí)鐘可選128(f{S})、192(f{S})、256(f{S})、384(f{S})、512(f{S})、768(f{S})、1152(f{S}) ，非常靈活。

（二）豐富功能集

• 數(shù)字濾波器：具備4x/8x過(guò)采樣數(shù)字濾波器，通帶紋波僅為±0.0018dB，阻帶衰減達(dá)到 -75dB，有效過(guò)濾噪聲。
• 音頻接口：提供靈活的音頻接口，支持I2S?、左/右對(duì)齊、DSP等I/F格式，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可選16、20、24、32位。
• 模式控制：可通過(guò)3線SPI?、2線I2C?兼容的串行控制接口或硬件控制，并且在一條SPI總線上最多可連接4個(gè)設(shè)備。
• 多功能操作：通過(guò)SPI或I2C接口可實(shí)現(xiàn)音頻I/F格式選擇、數(shù)字衰減、軟靜音、數(shù)字去加重等功能；硬件控制也能實(shí)現(xiàn)部分功能，如音頻I/F格式選擇和44.1kHz的數(shù)字去加重。
• 其他特性：具有模擬靜音（通過(guò)時(shí)鐘停止檢測(cè)）、外部復(fù)位引腳等功能。

（三）電源與封裝

該芯片模擬電源為5V，數(shù)字電源為3.3V，采用TSSOP-24封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +105°C，適用于各種惡劣環(huán)境。

二、PCM1789-Q1的工作原理

（一）內(nèi)部架構(gòu)

PCM1789-Q1主要由音頻接口、數(shù)字濾波器、ΔΣ調(diào)制器、DAC和模擬輸出電路等部分組成。音頻數(shù)據(jù)通過(guò)音頻接口輸入，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器處理后，由ΔΣ調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，再通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后經(jīng)模擬輸出電路輸出。

（二）采樣模式

支持三種采樣模式：?jiǎn)嗡俾?、雙速率和四速率。在單速率模式下，DAC以x128的過(guò)采樣頻率工作（除(SCKI=128 f{S})和192 (f{S}) ），適用于采樣頻率低于50kHz的情況；雙速率模式下，過(guò)采樣頻率為x64，適用于采樣頻率低于100kHz的情況；四速率模式下，過(guò)采樣頻率為x32。采樣模式可根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和采樣頻率的比例自動(dòng)選擇，也可通過(guò)串行模式控制寄存器手動(dòng)選擇。

（三）復(fù)位操作

擁有內(nèi)部上電復(fù)位電路和外部復(fù)位電路。內(nèi)部上電復(fù)位在VDD超過(guò)2.2V時(shí)自動(dòng)觸發(fā)，經(jīng)過(guò)3846個(gè)SCKI時(shí)鐘周期后釋放內(nèi)部復(fù)位；外部復(fù)位通過(guò)將RST引腳拉低實(shí)現(xiàn)，可使設(shè)備進(jìn)入復(fù)位和掉電狀態(tài)，再次將RST引腳拉高可恢復(fù)正常工作。

三、PCM1789-Q1的應(yīng)用設(shè)計(jì)

（一）基本連接

在基本連接圖中，需要注意電源旁路和去耦電容的使用。推薦使用德州儀器的PLL170X來(lái)生成系統(tǒng)時(shí)鐘輸入和音頻信號(hào)處理器的時(shí)鐘。同時(shí)，為減少電磁干擾（EMI），建議在SCKI、LRCK、BCK和DIN引腳使用22Ω至100Ω的串聯(lián)電阻。

（二）電源與接地

模擬電源需要+5V，數(shù)字電源需要+3.3V。為獲得最佳性能，建議使用線性穩(wěn)壓器（如REG101-5/33、REG102-5/33、REG103-5/33）。電源旁路需要五個(gè)電容，其中三個(gè)1μF的陶瓷電容和兩個(gè)10μF的鋁電解電容，且應(yīng)盡可能靠近芯片封裝放置。

（三）低通濾波器與差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換器

由于ΔΣ DAC會(huì)產(chǎn)生高于奈奎斯特頻率的帶外噪聲，因此需要使用低通濾波器進(jìn)行濾波。推薦使用二階巴特沃斯濾波器，采用多反饋（MFB）電路結(jié)構(gòu)，可減少對(duì)無(wú)源元件隨頻率和溫度變化的敏感度。對(duì)于交流耦合和直流耦合應(yīng)用，分別有對(duì)應(yīng)的外部差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換器和低通有源濾波器電路。

（四）PCB布局

在PCB布局時(shí)，建議使用接地平面，并通過(guò)分割或切割電路板將模擬和數(shù)字部分隔離。芯片的數(shù)字I/O引腳應(yīng)朝向接地平面的分割處，以便與數(shù)字音頻接口和控制信號(hào)進(jìn)行短而直接的連接。同時(shí)，數(shù)字和模擬部分應(yīng)使用單獨(dú)的電源，以防止數(shù)字電源的開(kāi)關(guān)噪聲影響模擬電源，從而降低芯片的動(dòng)態(tài)性能。

四、結(jié)語(yǔ)

PCM1789-Q1憑借其出色的音頻性能、豐富的功能和靈活的控制方式，成為汽車音頻和消費(fèi)音頻應(yīng)用的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，合理配置芯片的參數(shù)和外部電路，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，正確的PCB布局和電源設(shè)計(jì)也是確保芯片性能的關(guān)鍵因素。各位工程師在使用過(guò)程中，不妨多嘗試不同的設(shè)置和電路方案，看看能否優(yōu)化最終的音頻效果。你是否在之前的項(xiàng)目中使用過(guò)類似的音頻DAC呢？你遇到過(guò)哪些問(wèn)題又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。