德州儀器PCM1681與PCM1681 - Q1音頻DAC深度解析

在音頻處理領(lǐng)域，數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）扮演著至關(guān)重要的角色，它直接影響著音頻信號的質(zhì)量和性能。德州儀器（TI）的PCM1681和PCM1681 - Q1便是兩款極具特色的八通道24位音頻DAC，下面我們就來詳細(xì)了解一下它們。

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1. 產(chǎn)品概述

PCM1681與PCM1681 - Q1采用CMOS單芯片集成電路技術(shù)，封裝為小巧的28引腳TSSOP PowerPAD。PCM1681 - Q1適用于汽車音頻應(yīng)用，而PCM1681則主要用于消費(fèi)級應(yīng)用。它們運(yùn)用了Burr - Brown增強(qiáng)型多級ΔΣ架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了出色的信噪比性能和對時(shí)鐘抖動的高容忍度。

2. 產(chǎn)品特性

2.1 性能指標(biāo)

• 分辨率：高達(dá)24位，能夠提供非常細(xì)膩的音頻信號還原。
• 動態(tài)范圍：典型值為105 dB，意味著可以清晰地捕捉到微弱信號和強(qiáng)信號，減少信號失真。
• 信噪比（SNR）：同樣達(dá)到105 dB典型值，有效降低噪聲干擾，讓音頻更加純凈。
• 總諧波失真加噪聲（THD + N）：典型值為0.002%，確保音頻信號的高保真度。
• 滿量程輸出：典型值為3.75 VPP，能夠滿足多種音頻設(shè)備的輸出需求。

2.2 濾波器特性

• 過采樣插值濾波器：具備4×/8×過采樣功能，阻帶衰減可達(dá) - 57 dB，通帶紋波僅為±0.015 dB，有效過濾雜波，提升音頻質(zhì)量。
• 數(shù)字濾波器：提供尖銳和緩慢兩種滾降模式，用戶可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

2.3 時(shí)鐘與采樣

• 采樣頻率：支持5 kHz至200 kHz的采樣頻率，適應(yīng)多種音頻格式。
• 系統(tǒng)時(shí)鐘：可選擇128 fS、192 fS、256 fS、384 fS、512 fS、768 fS或1152 fS，并具備自動檢測功能。

2.4 控制與編程

• 模式控制：支持SPI?/I2C?雙模式串口控制，以及4功能并行硬件控制，靈活性極高。
• 用戶可編程功能：可通過串口或硬件控制實(shí)現(xiàn)多種功能，如數(shù)字衰減、軟靜音、數(shù)字去加重等。

2.5 電源與溫度

• 電源電壓：模擬電源為5 V，數(shù)字電源為3.3 V。
• 工作溫度范圍：消費(fèi)級PCM1681為 - 40°C至85°C，汽車音頻級PCM1681 - Q1為 - 40°C至105°C，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

3. 引腳配置與功能

PCM1681和PCM1681 - Q1的28引腳HTSSOP PowerPAD封裝，各引腳具有明確的功能。例如，BCK為串行音頻數(shù)據(jù)的移位時(shí)鐘輸入，LRCK為左右聲道時(shí)鐘輸入，其頻率等于采樣率fS。DATA1 - DATA4用于輸入串行音頻數(shù)據(jù)，每個(gè)引腳對應(yīng)兩個(gè)聲道。而MC/SCL/DEMP、MD/SDA/MUTE、MS/ADR/FMT1等引腳則用于SPI或I2C控制以及硬件功能控制。

4. 規(guī)格參數(shù)

4.1 絕對最大額定值

在使用過程中，需要注意電源電壓、輸入電壓、輸入電流等參數(shù)的最大額定值，避免超出范圍導(dǎo)致器件損壞。例如，VCC1和VCC2的電源電壓范圍為 - 0.3至6.5 V，VDD為 - 0.3至4 V。

4.2 ESD評級

PCM1681的人體模型（HBM）ESD評級為±4000 V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±1000 V；PCM1681 - Q1的HBM評級為±2000 V，CDM為±1000 V。在操作和儲存過程中，要注意靜電防護(hù)，防止靜電對器件造成損害。

4.3 推薦工作條件

為了保證器件的最佳性能，推薦的模擬電源電壓Vcc1和Vcc2為4.5至5.5 V，數(shù)字電源電壓Vpp為3至3.6 V。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率范圍為1.024至36.864 MHz，采樣時(shí)鐘頻率為8至192 kHz。

4.4 電氣特性

• 分辨率與數(shù)據(jù)格式：支持16 - 24位音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式包括右對齊、I2S、左對齊、TDM和DSP等。
• 動態(tài)性能：在不同的采樣頻率和系統(tǒng)時(shí)鐘條件下，THD + N、動態(tài)范圍和SNR等指標(biāo)表現(xiàn)出色。例如，在V_OUT = 0 dB，fS = 48 kHz時(shí)，THD + N典型值為0.002%。

5. 詳細(xì)描述

5.1 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

系統(tǒng)時(shí)鐘對于數(shù)字插值濾波器和多級ΔΣ調(diào)制器的正常工作至關(guān)重要。PCM1681和PCM1681 - Q1的系統(tǒng)時(shí)鐘通過SCK輸入，不同的采樣頻率對應(yīng)著不同的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。為了獲得最佳性能，建議使用低相位抖動和噪聲的時(shí)鐘源，如德州儀器的PLL170x多時(shí)鐘發(fā)生器。

5.2 上電復(fù)位功能

該功能確保器件在上電時(shí)能夠正確初始化。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘激活且VDD > 2.2 V（典型值，范圍為1.4 V至2.9 V）時(shí)，上電復(fù)位功能啟動，經(jīng)過65,536個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期完成初始化。在復(fù)位期間，模擬輸出被強(qiáng)制設(shè)置為公共電壓（VCOM）。

5.3 音頻串行接口

由6線同步串口組成，包括LRCK、BCK和DATA1 - DATA4。BCK用于將串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到音頻接口串行移位寄存器，LRCK用于將串行數(shù)據(jù)鎖存到內(nèi)部寄存器。LRCK和BCK必須與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，理想情況下應(yīng)從系統(tǒng)時(shí)鐘派生。

5.4 音頻數(shù)據(jù)格式和時(shí)序

支持多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)音頻數(shù)據(jù)格式，如右對齊、I2S、左對齊、TDM和DSP。數(shù)據(jù)格式通過控制寄存器9中的格式位FMT[3:0]進(jìn)行選擇，默認(rèn)格式為16 - 24位左對齊。所有格式都要求音頻數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先。

5.5 去加重濾波器

針對32 kHz、44.1 kHz和48 kHz采樣頻率提供數(shù)字去加重濾波器，可有效改善音頻信號的質(zhì)量。

5.6 過采樣率控制

根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和過采樣模式自動控制ΔΣ DAC的過采樣率。過采樣模式可通過MSEL引腳（硬件控制模式）或控制寄存器12中的OVER位（軟件控制模式）進(jìn)行選擇，分為窄模式和寬模式。

5.7 零標(biāo)志

PCM1681和PCM1681 - Q1具有兩個(gè)零標(biāo)志引腳ZR1和ZR2，用于指示指定通道的輸入數(shù)據(jù)是否連續(xù)1024個(gè)采樣周期保持邏輯0電平。零標(biāo)志組合通過控制寄存器13中的AZRO[1:0]位進(jìn)行選擇。

5.8 模式控制

支持三種接口模式控制和三種過采樣配置，通過MSEL引腳的輸入狀態(tài)進(jìn)行選擇。包括2線（I2C）串行控制、4線并行硬件控制和3線（SPI）串行控制。

6. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

6.1 D/A輸出濾波器電路

由于ΔΣ DAC會產(chǎn)生帶外噪聲，需要通過片上和外部低通濾波組合來降低噪聲。推薦使用二階巴特沃斯濾波器，如雙電源和單電源應(yīng)用中的多反饋（MFB）電路。同時(shí)，建議使用高質(zhì)量的音頻運(yùn)算放大器，如德州儀器的OPA2353和OPA2134。

6.2 典型應(yīng)用

在典型應(yīng)用中，需要進(jìn)行必要的電源旁路和去耦。使用德州儀器的PLL170x生成系統(tǒng)時(shí)鐘輸入和音頻信號處理器的時(shí)鐘。為了減少高頻噪聲和發(fā)射，建議在SCK、LRCK、BCK、DATA1 - DATA4等信號線上使用串聯(lián)電阻。

7. 電源供應(yīng)建議

為了獲得最佳性能，建議使用線性穩(wěn)壓器提供5 V模擬電源和3.3 V數(shù)字電源。同時(shí)，需要使用五個(gè)電容器進(jìn)行電源旁路，這些電容器應(yīng)盡可能靠近器件封裝。

8. 布局指南

在PCB布局時(shí)，建議使用接地平面，并將模擬和數(shù)字部分隔離。器件的數(shù)字I/O引腳應(yīng)朝向接地平面的分割處，以實(shí)現(xiàn)短而直接的連接。對于PCM1681 - Q1，PowerPAD必須焊接到具有低熱阻的接地平面上。

9. 總結(jié)

PCM1681和PCM1681 - Q1憑借其出色的性能、豐富的功能和靈活的控制方式，為音頻處理設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。無論是消費(fèi)級音頻設(shè)備還是汽車音頻系統(tǒng)，都能滿足其對高質(zhì)量音頻轉(zhuǎn)換的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇參數(shù)和布局，以充分發(fā)揮這兩款DAC的優(yōu)勢。你在使用類似音頻DAC時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。