德州儀器PCM1796音頻DAC：高保真音頻設(shè)計的理想之選

在當(dāng)今音頻技術(shù)飛速發(fā)展的時代，高保真音頻設(shè)備的需求日益增長，數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）作為音頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，其性能直接影響著音頻的質(zhì)量。德州儀器（TI）的PCM1796 24位、192kHz采樣的高級段音頻立體聲DAC，以其卓越的性能和豐富的功能，成為眾多音頻設(shè)計師的首選。

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產(chǎn)品概述

PCM1796是一款采用小型28引腳SSOP封裝的單片CMOS集成電路，集成了立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器和支持電路。它采用TI先進(jìn)的分段DAC架構(gòu)，可實現(xiàn)出色的動態(tài)性能，并提高對時鐘抖動的容忍度。該DAC提供平衡電流輸出，用戶可通過外部電路優(yōu)化模擬性能。此外，它支持PCM和DSD音頻數(shù)據(jù)格式，可輕松與音頻DSP和解碼芯片接口。

關(guān)鍵特性剖析

高精度與高性能

• 高分辨率：24位分辨率，為音頻信號提供了極為精準(zhǔn)的量化，能夠捕捉到音頻中極其細(xì)微的變化，還原出更加豐富、細(xì)膩的聲音細(xì)節(jié)，使音樂愛好者可以聆聽到原汁原味、接近現(xiàn)場的音質(zhì)。
• 出色的模擬性能：動態(tài)范圍高達(dá)123dB，能夠清晰地呈現(xiàn)出音頻中的微弱信號和強烈信號，讓音樂的動態(tài)表現(xiàn)更加生動?？傊C波失真加噪聲（THD+N）低至0.0005%，有效減少了失真和噪聲的干擾，確保音頻信號的純凈度，為用戶帶來純凈、無雜音的聽覺享受。
• 數(shù)字濾波功能：采用8倍過采樣數(shù)字濾波器，阻帶衰減可達(dá) -98dB，有效抑制了帶外噪聲和干擾；通帶紋波僅為 ±0.0002dB，保證了通帶內(nèi)音頻信號的平坦度，使音頻質(zhì)量更加穩(wěn)定。

靈活的輸入與輸出

• 多數(shù)據(jù)格式支持：支持標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對齊等多種PCM數(shù)據(jù)格式，還提供DSD格式接口，能夠適應(yīng)不同音頻數(shù)據(jù)源的需求。無論是傳統(tǒng)的PCM音頻數(shù)據(jù)，還是新興的DSD音頻格式，PCM1796都能輕松應(yīng)對，為音頻系統(tǒng)的設(shè)計提供了更大的靈活性。
• 可配置的輸出：提供差分電流輸出，輸出電流為4mA p-p，并且支持用戶通過編程控制數(shù)字衰減、去加重、數(shù)字濾波器滾降等功能。用戶可以根據(jù)實際需求對音頻輸出進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，滿足不同應(yīng)用場景下對音頻效果的個性化要求。

穩(wěn)定的時鐘與控制

• 寬采樣頻率范圍：采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，系統(tǒng)時鐘支持128、192、256、384、512或768 fs，并具備自動檢測功能。能夠適應(yīng)多種不同采樣率的音頻信號，確保在各種音頻系統(tǒng)中都能穩(wěn)定工作。
• 多種控制接口：支持SPI或I2C串行控制端口，可通過這些接口對設(shè)備進(jìn)行編程和配置，實現(xiàn)對各種模式控制功能的靈活調(diào)整。同時，還支持時分復(fù)用命令和音頻（TDMCA）數(shù)據(jù)格式，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信和控制。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

PCM1796的高性能和靈活性使其在眾多音頻應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在家庭影院系統(tǒng)中，如A/V接收器、SACD播放器和DVD播放器，它能夠?qū)?shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的模擬音頻信號，為用戶帶來沉浸式的視聽體驗；在高清電視接收器中，可提供清晰、逼真的音頻效果，與高清畫面相得益彰；在汽車音頻系統(tǒng)中，能夠適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的音頻輸出；在數(shù)字多軌錄音機等專業(yè)音頻設(shè)備中，其高精度和低失真特性能夠滿足專業(yè)錄音的需求。

電氣特性詳解

數(shù)據(jù)格式與采樣頻率

• PCM模式：支持16位、20位和24位音頻數(shù)據(jù)，音頻數(shù)據(jù)接口格式包括標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對齊。采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，系統(tǒng)時鐘頻率支持128、192、256、384、512或768 fs。這種多位數(shù)和多格式的支持，使得PCM1796能夠適應(yīng)不同來源和不同質(zhì)量要求的PCM音頻數(shù)據(jù)。
• DSD模式：音頻數(shù)據(jù)接口格式為DSD（直接流數(shù)字），音頻數(shù)據(jù)位長度為1位，采樣頻率為2.8224MHz，系統(tǒng)時鐘頻率范圍為2.8224MHz至11.2896MHz。DSD模式的支持為追求極致音質(zhì)的音頻系統(tǒng)提供了更多選擇。

動態(tài)性能表現(xiàn)

• PCM模式：在不同采樣頻率下，THD+N表現(xiàn)出色，如在44.1kHz采樣頻率下，THD+N低至0.0005%；動態(tài)范圍和信噪比在EIAJ、A加權(quán)條件下可達(dá)120 - 123dB；聲道分離度在不同采樣頻率下也能保持在116 - 119dB之間，確保左右聲道音頻信號的獨立性和純凈度。
• 單聲道模式：與PCM模式相比，單聲道模式下的動態(tài)性能進(jìn)一步提升，THD+N更低，動態(tài)范圍和信噪比更高，可達(dá)126dB，為單聲道音頻應(yīng)用提供了更好的音質(zhì)保障。
• DSD模式：在44.1kHz、64 fs條件下，THD+N為0.0007%，動態(tài)范圍為122dB，信號噪聲比為122dB，能夠滿足DSD音頻格式對音質(zhì)的高要求。

其他特性

• 模擬輸出：增益誤差在 -7%至 ±2%之間，通道間增益失配在 -3%至 ±0.5%之間，雙極性零誤差在 -2%至 ±0.5%之間，輸出電流在滿量程（0dB）時為4mA p-p，中心電流為 -3.5mA，確保模擬輸出的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
• 數(shù)字濾波器性能：去加重誤差為 ±0.1dB，阻帶衰減和通帶紋波等指標(biāo)在不同濾波特性下表現(xiàn)良好，能夠滿足不同音頻處理需求。

接口與功能特點

時鐘與復(fù)位功能

• 系統(tǒng)時鐘輸入：PCM1796需要系統(tǒng)時鐘來驅(qū)動數(shù)字插值濾波器和高級分段DAC調(diào)制器，系統(tǒng)時鐘由SCK輸入（引腳7）。它具備系統(tǒng)時鐘檢測電路，可自動感知系統(tǒng)時鐘的工作頻率，支持常見音頻采樣率的多種系統(tǒng)時鐘頻率。為了獲得最佳性能，建議使用低相位抖動和低噪聲的時鐘源，如德州儀器的PLL1700系列多時鐘發(fā)生器。
• 上電與外部復(fù)位功能：具備上電復(fù)位功能，當(dāng) (V_{DD} > 2V) 時，上電復(fù)位功能啟用，初始化序列需要1024個系統(tǒng)時鐘周期。同時，還支持通過RST輸入（引腳14）進(jìn)行外部復(fù)位，可由外部控制器或主復(fù)位電路強制將PCM1796初始化為默認(rèn)復(fù)位狀態(tài)，這在PCM1796上電和系統(tǒng)時鐘激活存在延遲的應(yīng)用中非常有用。

音頻數(shù)據(jù)接口

• 音頻串行接口：音頻接口端口為3線串行端口，包括LRCK（引腳4）、BCK（引腳6）和DATA（引腳5）。BCK作為串行音頻位時鐘，用于將DATA上的串行數(shù)據(jù)時鐘輸入到音頻接口的串行移位寄存器中；LRCK作為串行音頻左右字時鐘。PCM1796需要LRCK和系統(tǒng)時鐘同步，但不要求它們之間有特定的相位關(guān)系。如果LRCK和系統(tǒng)時鐘的關(guān)系變化超過 ±6 BCK，內(nèi)部操作將在1/fS內(nèi)初始化，模擬輸出將被強制設(shè)定為雙極性零電平，直到LRCK和系統(tǒng)時鐘重新同步完成。
• PCM音頻數(shù)據(jù)格式：支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)據(jù)格式，包括標(biāo)準(zhǔn)右對齊、I2S和左對齊。數(shù)據(jù)格式可通過控制寄存器18中的格式位FMT[2:0]進(jìn)行選擇，默認(rèn)數(shù)據(jù)格式為24位I2S。所有格式都要求音頻數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補碼，且MSB優(yōu)先。
• 外部數(shù)字濾波器接口：支持外部數(shù)字濾波器接口，由3線或4線同步串行端口組成，可使用德州儀器的DF1704和DF1706、太平洋微聲公司的PMD200或可編程數(shù)字信號處理器等外部濾波器。在外部DF模式下，LRCK、BCK和DATA被重新定義，通過控制寄存器20的DFTH位可選擇外部數(shù)字濾波器接口模式，當(dāng)控制寄存器19的DFMS位被設(shè)置時，PCM1796可以處理立體聲數(shù)據(jù)。
• DSD格式接口：支持DSD格式接口操作，通過內(nèi)部模擬FIR濾波器進(jìn)行帶外噪聲濾波。在DSD模式下，SCK、DATA和LRCK被重新定義，BCK必須置低，通過設(shè)置控制寄存器20的DSD位可激活DSD格式接口。
• TDMCA接口：支持時分復(fù)用命令和音頻（TDMCA）數(shù)據(jù)格式，可通過單個串行接口實現(xiàn)對多個外部設(shè)備的控制和通信。

串行控制接口

• SPI接口：SPI接口是一個4線同步串行端口，與串行音頻接口和系統(tǒng)時鐘異步操作。通過該接口可對片上模式寄存器進(jìn)行編程和讀取，包括MDO（引腳13）、MDI（引腳11）、MC（引腳12）和 (overline{MS})（引腳10）。所有讀寫操作使用16位數(shù)據(jù)字，通過設(shè)置讀取/寫入（R / (overline{W})）位可區(qū)分讀寫操作。
• I2C接口：支持I2C串行總線和標(biāo)準(zhǔn)及快速模式的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，作為從設(shè)備工作。在I2C模式下，控制端子會發(fā)生變化，PCM1796有7位從設(shè)備地址，其中前5位由工廠預(yù)設(shè)，后2位可由用戶通過ADR1和ADR0端子定義，最多可在同一總線上連接4個PCM1796。主設(shè)備通過控制數(shù)據(jù)包協(xié)議（包括起始條件、從設(shè)備地址、讀寫位、數(shù)據(jù)或確認(rèn)信息以及停止條件）來實現(xiàn)對PCM1796寄存器的讀寫操作。

模式控制寄存器

PCM1796包含多個用戶可編程功能，可通過模式控制寄存器進(jìn)行訪問。這些寄存器可通過SPI接口或I2C接口進(jìn)行編程，涵蓋了數(shù)字衰減控制、輸入音頻數(shù)據(jù)格式選擇、采樣率去加重選擇、軟靜音控制、輸出相位反轉(zhuǎn)、數(shù)字濾波器滾降選擇等眾多功能。通過合理配置這些寄存器，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求對PCM1796進(jìn)行個性化設(shè)置，以達(dá)到最佳的音頻處理效果。

應(yīng)用電路設(shè)計要點

典型連接電路

在PCM模式下，設(shè)計應(yīng)用電路對于實現(xiàn)PCM1796的高信噪比至關(guān)重要。例如，在三階低通濾波器（LPF）電路中，輸出電平可達(dá)2.1V rms，信噪比可達(dá)123dB。I/V部分，PCM1796每個輸出引腳的電流在0dB（滿量程）時為4mA p-p，電壓輸出電平由 (V{i}=4mA p - p × R{f}) 確定（ (R_{f}) 為IV轉(zhuǎn)換器的反饋電阻），推薦使用NE5534運算放大器以獲得指定性能。差分部分，PCM1796的電壓輸出后接差分放大器級，可對每個通道的差分信號進(jìn)行求和，形成單端I/V運算放大器輸出，并提供低通濾波功能，建議使用低噪聲類型的運算放大器。

外部數(shù)字濾波器接口應(yīng)用

在某些應(yīng)用中，使用外部數(shù)字濾波器可以提供比PCM1796內(nèi)部數(shù)字濾波器更好的阻帶衰減。通過編程控制寄存器中的相關(guān)位（DFTH = 1）可進(jìn)入外部數(shù)字濾波器應(yīng)用模式。在該模式下，部分引腳功能會重新定義，支持右對齊音頻格式，包括16位、20位和24位音頻數(shù)據(jù)。同時，需要WDCK和系統(tǒng)時鐘同步，系統(tǒng)時鐘與WDCK相位無關(guān)，接口時序有嚴(yán)格要求。

DSD格式接口應(yīng)用

DSD模式用于直接連接DSD解碼器，常見于超級音頻CD（SACD）應(yīng)用中。通過編程控制寄存器中的DSD = 1可進(jìn)入DSD模式，該模式提供低通濾波功能，可通過控制寄存器18的DMF[1:0]位選擇四種模擬FIR濾波器響應(yīng)之一。在DSD模式下，部分引腳會重新定義，對系統(tǒng)時鐘有特定要求，接口時序需滿足設(shè)置和保持時間規(guī)范。

TDMCA接口應(yīng)用

PCM1796支持TDMCA數(shù)據(jù)格式，可簡化主機控制串行接口。TDMCA幀由命令字段、擴展命令字段和音頻數(shù)據(jù)字段組成，適用于各種可編程設(shè)備。通過接收特定脈沖持續(xù)時間的LRCK信號，PCM1796可自動識別TDMCA模式。在TDMCA模式下，需要特定的信號連接和設(shè)備ID分配方式，以實現(xiàn)多設(shè)備的協(xié)同工作。數(shù)據(jù)傳輸和寄存器讀寫操作都有相應(yīng)的時序要求。

總結(jié)與思考

德州儀器的PCM1796音頻DAC以其卓越的性能、豐富的功能和靈活的接口，為音頻設(shè)計工程師提供了一個強大的工具。無論是在消費級音頻設(shè)備還是專業(yè)音頻領(lǐng)域，PCM1796都能發(fā)揮出色的作用。在實際設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置模式控制寄存器，精心設(shè)計應(yīng)用電路，以充分發(fā)揮PCM1796的優(yōu)勢。同時，隨著音頻技術(shù)的不斷發(fā)展，我們也可以思考如何進(jìn)一步優(yōu)化PCM1796的應(yīng)用，使其在未來的音頻系統(tǒng)中發(fā)揮更大的潛力。例如，如何結(jié)合新興的音頻編解碼技術(shù)，提高音頻處理的效率和質(zhì)量；如何在保證音質(zhì)的前提下，降低系統(tǒng)的功耗和成本。這些都是值得我們深入研究和探索的問題。