探索PCM1870A：低功耗立體聲ADC的卓越之選

在當(dāng)今便攜式數(shù)字音頻設(shè)備蓬勃發(fā)展的時代，一款性能出色的低功耗立體聲ADC對于提升音頻質(zhì)量和設(shè)備續(xù)航能力至關(guān)重要。TI的PCM1870A就是這樣一款值得深入研究的產(chǎn)品，今天我們就來詳細(xì)探討它的特性、功能及應(yīng)用。

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一、PCM1870A概述

PCM1870A是一款專為便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用設(shè)計的低功耗立體聲ADC。它集成了線輸入放大器、升壓放大器、麥克風(fēng)偏置、可編程增益控制、音效和自動電平控制（ALC）等功能，采用24引腳YZF（2.49mm × 3.49mm）封裝，有效節(jié)省了電路板空間。該芯片支持5kHz至50kHz的采樣頻率，能接受右對齊、左對齊、I2S和DSP格式，方便與音頻DSP和編碼器芯片進(jìn)行接口連接。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）模擬前端

1. 輸入類型豐富：具備立體聲單端輸入、單聲道差分輸入，還有立體聲可編程增益放大器和麥克風(fēng)升壓放大器及偏置。這種多樣化的輸入方式能滿足不同音頻源的接入需求，無論是麥克風(fēng)輸入還是線路輸入都能輕松應(yīng)對。
2. 出色的模擬性能：動態(tài)范圍達(dá)到90dB，能有效還原音頻信號的細(xì)節(jié)，為用戶帶來清晰、純凈的音頻體驗。
3. 寬電源電壓范圍：數(shù)字I/O部分和數(shù)字核心部分的電源電壓范圍為1.71V至3.6V，模擬部分為2.4V至3.6V。這種寬電壓范圍的設(shè)計增加了芯片在不同電源環(huán)境下的適用性，方便工程師進(jìn)行電源設(shè)計。
4. 低功耗優(yōu)勢：在不同工作模式下功耗表現(xiàn)優(yōu)秀，例如在1.8/2.4V、48kHz、立體聲錄制模式下功耗為13mW；在1.8/2.4V、8kHz、單聲道錄制模式下功耗僅為5.3mW；在全功率關(guān)斷模式下功耗低至3.3μW。低功耗特性對于便攜式設(shè)備來說至關(guān)重要，能有效延長設(shè)備的續(xù)航時間。

（二）其他特性

1. 自動電平控制（ALC）：在錄音過程中，ALC能自動擴展小輸入信號并壓縮大輸入信號，確保錄制的聲音處于合適的電平，避免信號飽和或過小，提高錄音質(zhì)量。
2. 單時鐘輸入操作：無需PLL，通過單時鐘輸入即可實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的運行，簡化了時鐘設(shè)計，降低了硬件成本和復(fù)雜度。
3. 多種串行控制方式：支持2線（I2C）或3線（SPI）串行控制，方便與不同的主控芯片進(jìn)行通信，增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。
4. 可編程功能豐富：通過寄存器控制可以實現(xiàn)數(shù)字軟靜音、LRCK、BCK和DOUT的高阻態(tài)設(shè)置、各模塊的電源上下電控制、模擬輸入增益調(diào)節(jié)、麥克風(fēng)輸入升壓、ALC參數(shù)設(shè)置、三頻段音調(diào)控制和3D音效等功能。這些可編程功能為工程師提供了極大的設(shè)計自由度，能根據(jù)不同的應(yīng)用需求對芯片進(jìn)行定制化配置。
5. 爆音降噪電路：有效減少音頻信號中的爆音，提升音頻的純凈度和穩(wěn)定性。

三、電氣特性與性能曲線

（一）電氣特性

在 (T{A}=25^{circ} C) 、 (V{D D}=V{10}=V{C C}=V{P A}=3.3 ~V) 、 (f{S}=48 kHz) 、系統(tǒng)時鐘 = (256 f_{S}) 且為16位數(shù)據(jù)的條件下，PCM1870A展現(xiàn)出了良好的電氣性能。例如，滿量程輸入電壓為2.828Vp - p，信噪比（SNR）達(dá)到90dB，總諧波失真 + 噪聲（THD + N）在 - 1dB時為0.009%至0.017%等。這些參數(shù)表明芯片在音頻信號處理方面具有較高的精度和穩(wěn)定性。

（二）性能曲線

文檔中給出了多種典型性能曲線，如抽取濾波器的阻帶和通帶特性曲線、高通濾波器的通帶特性曲線、三頻段音調(diào)控制曲線以及ADC在不同增益和電源電壓下的SNR和THD + N曲線等。通過這些曲線，工程師可以直觀地了解芯片在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為電路設(shè)計和參數(shù)調(diào)整提供參考。例如，從三頻段音調(diào)控制曲線中可以看到，通過調(diào)整不同頻段的增益，可以實現(xiàn)對音頻音調(diào)的靈活調(diào)節(jié)，滿足不同用戶對音頻音色的需求。

四、功能模塊詳解

（一）模擬輸入

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R引腳可作為麥克風(fēng)或線路輸入，具有可選的0 - 或20 - dB升壓和1 - Vrms輸入。所有模擬輸入具有高輸入阻抗（20kΩ），且不受增益設(shè)置的影響。通過寄存器87可以選擇一對輸入，AIN1L和AIN1R還可作為單聲道差分輸入。這種設(shè)計使得芯片在處理不同類型的音頻輸入時具有較高的靈活性和穩(wěn)定性。

（二）增益設(shè)置

模擬信號在經(jīng)過0 - 、12 - 或20 - dB升壓放大器后，可通過寄存器79、80在30dB至 - 12dB范圍內(nèi)以1dB步長進(jìn)行調(diào)整，每個通道的增益可以獨立設(shè)置。在調(diào)整增益時，使用零交叉檢測（寄存器85，ZCRS）可以減少拉鏈噪聲，提高音頻質(zhì)量。

（三）A/D轉(zhuǎn)換器

ADC包含多級Δ - Σ調(diào)制器、混疊濾波器、抽取濾波器、高通濾波器和陷波濾波器，能接受1Vrms作為滿量程輸入電壓。抽取濾波器具有數(shù)字軟靜音功能，可通過寄存器81進(jìn)行控制；高通和陷波濾波器可根據(jù)需要通過寄存器81和寄存器96至104進(jìn)行禁用，以消除直流偏移或避免風(fēng)噪聲。

（四）其他功能

1. 公共電壓： (V{COM}) 引腳通常偏置為0.5 (V{CC}) ，為內(nèi)部電路提供公共電壓。建議連接一個4.7 - μF電容器到該引腳，以優(yōu)化模擬性能。
2. 麥克風(fēng)偏置：MICB引腳為外部麥克風(fēng)提供偏置源，可提供2mA（典型值）的偏置電流。
3. 3D音效：通過帶通濾波器對左右聲道數(shù)據(jù)進(jìn)行混合，可實現(xiàn)3D音效?？刂茀?shù)通過寄存器95進(jìn)行設(shè)置，為音頻增添了立體感和空間感。
4. 三頻段音調(diào)控制：可對低音、中音和高音進(jìn)行獨立調(diào)節(jié)，增益范圍為12dB至 - 12dB，通過寄存器92至94進(jìn)行設(shè)置，滿足不同用戶對音頻音調(diào)的個性化需求。

五、操作與控制

（一）系統(tǒng)時鐘輸入

PCM1870A可接受多種頻率的輸入時鐘，無需PLL。時鐘分為通用音頻時鐘和特定應(yīng)用時鐘，采樣率和系統(tǒng)時鐘頻率通過寄存器86和寄存器85進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)時鐘的脈沖持續(xù)時間高電平和低電平均要求不小于14ns。

（二）電源上電和復(fù)位

1. 上電復(fù)位：上電復(fù)位電路通常在 (V_{D D}=1.2 ~V) 時輸出復(fù)位信號，將內(nèi)部電路清零至默認(rèn)狀態(tài)，清除所有模擬和數(shù)字輸出信號。芯片無需電源順序，所有電源開啟后需寫入寄存器數(shù)據(jù)。
2. 系統(tǒng)復(fù)位：通過設(shè)置寄存器85（SRST）可啟用系統(tǒng)復(fù)位，所有寄存器自動清零，所有電路復(fù)位至默認(rèn)狀態(tài)。但需要注意的是，啟用SRST時模擬輸出會產(chǎn)生可聽的爆音。

（三）電源上下電順序

為減少可聽的爆音，上電和下電時需要按照特定的寄存器設(shè)置順序進(jìn)行操作。文檔中給出了詳細(xì)的推薦上電和下電順序表格，工程師在實際應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格按照這些順序進(jìn)行操作，以確保芯片的正常工作和音頻質(zhì)量。

（四）音頻串行接口

音頻串行接口由LRCK、BCK和DOUT組成，采樣率和左右聲道信息通過LRCK表示，DOUT傳輸ADC抽取濾波器的串行數(shù)據(jù)，BCK用于在其高低電平轉(zhuǎn)換時傳輸音頻數(shù)據(jù)。芯片具有主模式和從模式接口格式，可通過寄存器84進(jìn)行選擇。

（五）音頻數(shù)據(jù)格式

支持I2S、右對齊、左對齊和DSP格式，所有格式要求二進(jìn)制補碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)，默認(rèn)格式為I2S。不同數(shù)據(jù)格式的選擇通過寄存器70進(jìn)行設(shè)置。

（六）串行控制接口

1. 三線接口（SPI）：所有寫操作使用16位數(shù)據(jù)字，通過MC時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)時鐘輸入到內(nèi)部移位寄存器。文檔中給出了詳細(xì)的控制數(shù)據(jù)字格式和功能時序圖，工程師在設(shè)計SPI接口時需要嚴(yán)格按照這些要求進(jìn)行操作，以確保通信的正確性。
2. 兩線接口（I2C）：作為從設(shè)備支持I2C串行總線和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。芯片具有7位從地址，前六位為工廠預(yù)設(shè)，最后一位可由用戶定義。主設(shè)備通過控制數(shù)據(jù)包協(xié)議進(jìn)行讀寫操作，文檔中也給出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)包協(xié)議和讀寫操作的時序圖。

六、用戶可編程模式控制

PCM1870A的寄存器控制功能豐富，通過不同的寄存器可以實現(xiàn)各種功能的配置。例如，寄存器73用于控制模擬偏置電路的電源上下電；寄存器79、80用于設(shè)置ADC輸入的音量；寄存器81可控制ADC的高通濾波器、軟靜音和音頻接口等。詳細(xì)的寄存器映射和位定義在文檔中都有給出，工程師在進(jìn)行編程時需要仔細(xì)參考這些信息，確保正確配置芯片的各項功能。

七、連接與布局考慮

（一）電源引腳

數(shù)字和模擬電源線路應(yīng)通過0.1 - 至4.7 - μF的陶瓷電容器或電解電容器旁路到相應(yīng)的接地引腳，且電容器應(yīng)盡可能靠近引腳，以提高ADC的動態(tài)性能。

（二）接地引腳

模擬和數(shù)字接地內(nèi)部不連接，為避免數(shù)字噪聲反饋到模擬接地，應(yīng)確保它們具有低阻抗，并在芯片下方直接連接。

（三）輸入引腳

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R為單端輸入，AIN1L和AIN1R還可作為單聲道差分輸入。這些輸入集成了抗混疊低通濾波器，若性能不足，可添加適當(dāng)?shù)耐獠靠够殳B濾波器。未使用的引腳應(yīng)保持開路，避免通過寄存器選擇。

（四）其他引腳

當(dāng)AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R作為高增益麥克風(fēng)輸入時，AOL和AOR可能存在較大直流偏移，建議在AOL/AOR和PGINL/PGINR之間連接1 - 至10 - μF的隔直電容器；在 (V_{COM}) 和AGND之間建議連接1 - μF至4.7 - μF的電容器，以確保ADC公共電壓的低源阻抗；在主模式下，若BCK和DOUT線路較長，建議在芯片附近添加緩沖器并最小化負(fù)載電容，以減少數(shù)字和模擬電路之間的串?dāng)_，提高ADC的動態(tài)性能并降低功耗。

八、總結(jié)

PCM1870A以其豐富的功能、出色的性能和低功耗特性，成為便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用中一款極具競爭力的低功耗立體聲ADC。它在模擬前端設(shè)計、增益控制、音頻處理、控制接口等方面都展現(xiàn)出了較高的水平，為工程師提供了廣闊的設(shè)計空間。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求，合理配置芯片的各項功能，并注意連接和布局的細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮PCM1870A的優(yōu)勢，設(shè)計出高性能的音頻產(chǎn)品。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的應(yīng)用經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享交流。