PCM1789：高性能立體聲 DAC 的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在音頻處理領(lǐng)域，數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）扮演著至關(guān)重要的角色。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的 PCM1789，一款專為消費(fèi)音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能立體聲 DAC。

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一、產(chǎn)品概述

PCM1789 是一款單芯片、24 位立體聲音頻 DAC，具有差分輸出。它采用增強(qiáng)型多級(jí) ΔΣ 調(diào)制器，支持 8 kHz 至 192 kHz 的采樣率，以及 16、20、24 和 32 位寬度的數(shù)字音頻輸入。該芯片適用于多種音頻設(shè)備，如藍(lán)光播放器、DVD 播放器、AV 接收器、家庭影院和汽車音頻系統(tǒng)等。

二、關(guān)鍵特性

2.1 高性能 DAC

• 出色的音頻指標(biāo)：在 (f_{S}=48 kHz) 時(shí)，總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 -94 dB，信噪比（SNR）高達(dá) 113 dB，動(dòng)態(tài)范圍達(dá) 113 dB，能提供高質(zhì)量的音頻輸出。
• 寬采樣率范圍：支持 8 kHz 至 192 kHz 的采樣率，可滿足不同音頻源的需求。
• 系統(tǒng)時(shí)鐘靈活：系統(tǒng)時(shí)鐘支持 128 (f{S})、192 (f{S})、256 (f{S})、384 (f{S})、512 (f{S})、768 (f{S}) 和 1152 (f_{S}) 等多種倍數(shù)，方便與不同的時(shí)鐘源配合使用。

2.2 靈活的音頻接口

• 多種數(shù)據(jù)格式：支持 I2S、左對(duì)齊、右對(duì)齊和 DSP 等多種音頻接口格式，數(shù)據(jù)長度可選 16、20、24 或 32 位，能適應(yīng)不同的音頻系統(tǒng)架構(gòu)。

2.3 多樣的控制方式

• 軟件控制：可通過三線 SPI 或兩線 I2C 兼容的串行接口進(jìn)行軟件控制，實(shí)現(xiàn)音頻接口格式選擇、數(shù)字衰減、軟靜音、數(shù)字去加重等多種功能。
• 硬件控制：支持硬件控制模式，通過兩個(gè)控制引腳提供兩個(gè)用戶可編程功能。

2.4 其他特性

• 模擬靜音功能：通過時(shí)鐘停止檢測實(shí)現(xiàn)模擬靜音，可有效減少噪聲干擾。
• 外部復(fù)位引腳：方便進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位操作。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 -40°C 至 85°C，能適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

三、引腳配置與功能

PCM1789 采用 24 引腳 TSSOP 封裝，各引腳具有特定的功能。例如，LRCK 為音頻數(shù)據(jù)字時(shí)鐘輸入，BCK 為音頻數(shù)據(jù)位時(shí)鐘輸入，DIN 為音頻數(shù)據(jù)輸入，RST 為復(fù)位和掉電控制輸入等。在設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，需要根據(jù)引腳功能進(jìn)行合理的布局和連接，以確保芯片的正常工作。

四、電氣特性

4.1 絕對(duì)最大額定值

了解芯片的絕對(duì)最大額定值非常重要，它規(guī)定了芯片在正常工作時(shí)所能承受的最大電壓、電流和溫度等參數(shù)。例如，模擬電源電壓 VCC1 和 VCC2 的范圍為 -0.3 V 至 6.5 V，數(shù)字電源電壓 VDD 的范圍為 -0.3 V 至 4.0 V 等。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，必須確保電源電壓在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會(huì)損壞芯片。

4.2 推薦工作條件

為了獲得最佳的性能，芯片需要在推薦的工作條件下運(yùn)行。例如，模擬電源電壓 VCC 推薦為 4.5 V 至 5.5 V，數(shù)字電源電壓 VDD 推薦為 3.0 V 至 3.6 V，采樣頻率 LRCK 范圍為 8 kHz 至 192 kHz 等。

4.3 音頻性能指標(biāo)

芯片的音頻性能指標(biāo)直接影響音頻輸出的質(zhì)量。如前面提到的 THD + N、SNR 和動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)，以及通道分離度、增益誤差等參數(shù)，都需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行關(guān)注和優(yōu)化。

五、詳細(xì)功能描述

5.1 模擬輸出

PCM1789 的模擬輸出為差分電壓輸出，滿量程輸出電壓為 (1.6 × VCC1) (VPP)。內(nèi)部輸出放大器帶有 RC 連續(xù)時(shí)間濾波器，可減少帶外噪聲能量，但通常還需要外部低通濾波器來進(jìn)一步降低帶外噪聲。

5.2 電壓參考 VCOM

VCOM 引腳提供共模電壓輸出，可通過去耦電容連接到模擬地，也可用于偏置外部高阻抗電路。

5.3 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

系統(tǒng)時(shí)鐘輸入 SCKI 是芯片正常工作的關(guān)鍵。它必須是采樣頻率 (f{S}) 的整數(shù)倍，具體倍數(shù)支持 128 (f{S})、192 (f_{S}) 等多種選擇。在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路時(shí)，需要確保時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

5.4 復(fù)位操作

芯片具有內(nèi)部上電復(fù)位電路和外部復(fù)位電路。上電時(shí)，當(dāng) VDD 超過 2.2 V 時(shí)，內(nèi)部復(fù)位自動(dòng)觸發(fā)，經(jīng)過 3846 個(gè) SCKI 時(shí)鐘周期后釋放。外部復(fù)位通過 RST 引腳實(shí)現(xiàn)，低電平有效，可使芯片進(jìn)入復(fù)位和掉電狀態(tài)。

5.5 ZERO 標(biāo)志

ZERO1 和 ZERO2 為零檢測標(biāo)志引腳，可通過控制寄存器 22 中的 AZRO 位選擇不同的組合方式。當(dāng)指定通道的輸入數(shù)據(jù)連續(xù) 1024 個(gè)采樣周期為 '0' 時(shí)，相應(yīng)的 ZERO 標(biāo)志位被置為高電平。

5.6 AMUTE 控制

AMUTEI 為模擬靜音控制輸入引腳，低電平有效，可使 DAC 輸出與數(shù)字輸入斷開，并將輸出強(qiáng)制為中心電平（0.5 VCC1）。AMUTEO 為模擬靜音狀態(tài)輸出引腳，低電平表示模擬靜音控制電路處于激活狀態(tài)。

5.7 串行控制接口

• SPI 控制：芯片支持 SPI 兼容的串行端口，通過 MD/SDA/DEMP、MC/SCL/FMT 和 MS/ADR0/RSV 三個(gè)引腳進(jìn)行控制?？刂茢?shù)據(jù)字為 16 位，可實(shí)現(xiàn)單寫和多寫操作。
• I2C 控制：支持 I2C 兼容的串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，作為從設(shè)備工作。具有 7 位從地址，可通過 MS/ADR0/RSV 和 ADR5/ADR1/RSV 兩個(gè)引腳進(jìn)行選擇。

六、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

6.1 連接圖

基本連接圖中需要包含必要的電源旁路和去耦組件。推薦使用德州儀器的 PLL170X 來生成系統(tǒng)時(shí)鐘輸入 SCKI，同時(shí)為音頻信號(hào)處理器提供時(shí)鐘。在 SCKI、LRCK、BCK 和 DIN 信號(hào)線上使用 22 Ω 至 100 Ω 的串聯(lián)電阻，可減少電磁干擾（EMI）。

6.2 電源與接地

芯片需要 +5 V 的模擬電源和 +3.3 V 的數(shù)字電源。為了獲得最佳性能，建議使用線性穩(wěn)壓器（如 REG1015/33、REG102 - 5/33 或 REG103 - 5/33）為電源供電。同時(shí)，需要使用五個(gè)電容進(jìn)行電源旁路，其中 10 - μF 的電容為鋁電解電容，3 個(gè) 1 - μF 的電容為陶瓷電容，且這些電容應(yīng)盡量靠近芯片封裝。

6.3 低通濾波器與差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換器

由于 ΔΣ DAC 會(huì)產(chǎn)生帶外噪聲，因此需要使用低通濾波器來提高轉(zhuǎn)換器的性能。推薦使用二階巴特沃斯濾波器作為外部差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換器，如 NE5532A、OPA2134 或 OPA2353 等高性能音頻運(yùn)放可用于這些濾波器電路。

6.4 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

在典型應(yīng)用中，需要考慮控制方式（硬件、I2C 或 SPI）、音頻輸入（PCM 串行數(shù)據(jù)、TDM 或 DSP）、音頻輸出（(1.6 × VCC1) (Vpp) 模擬音頻偏置到 (0.5 × VCC1) V）和主時(shí)鐘（如 PLL170X 系列）等設(shè)計(jì)要求。

七、布局建議

7.1 布局準(zhǔn)則

• 使用接地平面：推薦使用接地平面，并通過分割或切割電路板將模擬和數(shù)字部分隔離，以減少相互干擾。
• 合理安排引腳方向：將數(shù)字 I/O 引腳朝向接地平面分割處，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。
• 分離電源：為數(shù)字和模擬部分分別提供獨(dú)立的電源，防止數(shù)字電源的開關(guān)噪聲影響模擬電源，從而保證芯片的動(dòng)態(tài)性能。

7.2 布局示例

典型的 PCB 布局示例展示了如何將數(shù)字和模擬部分進(jìn)行合理的劃分，以及如何連接芯片與其他電路組件。

八、總結(jié)

PCM1789 是一款功能強(qiáng)大、性能出色的立體聲 DAC，具有豐富的特性和靈活的控制方式。在音頻設(shè)計(jì)中，通過合理選擇和應(yīng)用該芯片，結(jié)合正確的電路設(shè)計(jì)、布局和電源管理，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻輸出。希望本文能為電子工程師在使用 PCM1789 進(jìn)行音頻設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。