集成診斷功能的四通道ADC——ADAU1977的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）一直是實(shí)現(xiàn)精確信號(hào)采集與處理的關(guān)鍵組件。ADAU1977作為一款集成診斷功能的四通道ADC，憑借其卓越的性能和豐富的特性，在汽車音頻系統(tǒng)、有源噪聲消除系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。本文將深入剖析ADAU1977的特性、工作原理、技術(shù)規(guī)格以及應(yīng)用電路，為電子工程師們提供全面的設(shè)計(jì)參考。

文件下載：ADAU1977WBCPZ.pdf

特性亮點(diǎn)

診斷與偏置功能

ADAU1977具備帶診斷功能的可編程麥克風(fēng)偏置，偏置電壓可在5 V至9 V范圍內(nèi)進(jìn)行編程，為麥克風(fēng)供電提供了靈活的解決方案。同時(shí)，內(nèi)置的診斷電路能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)輸入線路上的故障，包括電池短路、麥克風(fēng)偏置短路、接地短路、正負(fù)輸入引腳之間短路和輸入引腳開(kāi)路等，并以IRQ標(biāo)志表示，方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

高性能模擬輸入

該ADC擁有4路10 V rms直接耦合差分輸入，支持交流耦合和直流耦合輸入信號(hào)。獨(dú)特的輸入結(jié)構(gòu)允許直接耦合輸入信號(hào)，無(wú)需在輸入端使用大耦合電容，每路輸入都有固定的14 dB衰減器連接到AGND，支持10 V rms差分輸入，從各路輸入到AGND的典型輸入電阻約為26 kΩ。

時(shí)鐘與控制

利用片內(nèi)PLL可從外部時(shí)鐘輸入或幀時(shí)鐘（采樣速率時(shí)鐘）獲得主時(shí)鐘，當(dāng)使用幀時(shí)鐘時(shí)，系統(tǒng)中無(wú)需使用獨(dú)立的高頻主時(shí)鐘。同時(shí)，支持I2C/SPI控制，具備軟件可控?zé)o雜音靜音功能和軟件關(guān)斷功能，提供右對(duì)齊、左對(duì)齊、I2S對(duì)齊和TDM模式，以及主機(jī)和從機(jī)工作模式。

其他特性

ADC動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到109 dB，THD + N為?95 dB，可選數(shù)字高通濾波器，24位ADC，采樣速率范圍為8 kHz至192 kHz，支持?jǐn)?shù)字音量控制。采用40引腳LFCSP封裝，通過(guò)汽車應(yīng)用認(rèn)證，適用于惡劣的汽車環(huán)境。

工作原理

電源與基準(zhǔn)

ADAU1977采用3.3 V單電源供電，模擬和升壓轉(zhuǎn)換器各有電源輸入引腳，需通過(guò)電容去耦以降低噪聲拾取。數(shù)字內(nèi)核的電源電壓（DVDD）利用內(nèi)部低壓差調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，典型DVDD輸出為1.8 V。模擬模塊的基準(zhǔn)電壓在內(nèi)部產(chǎn)生，通過(guò)VREF引腳輸出，AVDDx為3.3 V時(shí)，該引腳的典型電壓為1.5 V。

上電復(fù)位

器件要求在AVDDx引腳上從外部提供3.3 V單電源，內(nèi)部產(chǎn)生DVDD（1.8 V）。復(fù)位期間，DVDD調(diào)節(jié)器禁用以降低功耗，當(dāng)(overline{PD} / overline{RST})引腳變?yōu)楦唠娖胶?，器件使能DVDD調(diào)節(jié)器。內(nèi)部ADC和數(shù)字內(nèi)核復(fù)位由內(nèi)部(POR)信號(hào)（上電復(fù)位）電路控制，只有DVDD達(dá)到1.2 V且(POR)信號(hào)釋放后，器件才會(huì)離開(kāi)復(fù)位狀態(tài)。

PLL和時(shí)鐘

內(nèi)置模擬PLL為內(nèi)部ADC提供無(wú)抖動(dòng)的主時(shí)鐘，PLL必須根據(jù)適當(dāng)?shù)妮斎霑r(shí)鐘頻率進(jìn)行編程。寄存器0x01的CLK_S位用于設(shè)置PLL的時(shí)鐘源，可以是MCLKIN引腳或LRCLK引腳（從模式）。PLL需要一個(gè)外部濾波器，連接在PLL_FILT引腳上。

DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器從3.3 V固定電源為麥克風(fēng)偏置電路產(chǎn)生電源電壓，輸出電壓可利用寄存器0x03編程，輸出電壓比設(shè)定的麥克風(fēng)偏置電壓高出大約1 V。開(kāi)關(guān)頻率取決于ADC的采樣速率，可選擇1.5 MHz或3 MHz，推薦電感值分別為4.7 μH和2.2 μH。

麥克風(fēng)偏置

麥克風(fēng)偏置由輸入電壓通過(guò)線性調(diào)節(jié)器在VBOOST_IN引腳上產(chǎn)生，確保低噪聲并抑制升壓轉(zhuǎn)換器的高頻噪聲。可在5 V到9 V的范圍內(nèi)設(shè)置麥克風(fēng)偏置電壓，輸出通過(guò)MICBIAS引腳提供。

ADC

4個(gè)Δ - Σ ADC通道配置為兩個(gè)立體聲對(duì)，具有可配置的差分/單端輸入，以32 kHz到192 kHz的標(biāo)稱采樣速率工作。包括片上數(shù)字抗混疊濾波器，具有79 dB阻帶衰減和線性相位響應(yīng)。數(shù)字輸出通過(guò)兩個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出引腳、一個(gè)通用幀時(shí)鐘（LRCLK）和一個(gè)位時(shí)鐘（BCLK）提供，也可使用TDM模式。

診斷

診斷模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控輸入引腳，將故障報(bào)告為FAULT引腳上的中斷信號(hào)，觸發(fā)中斷請(qǐng)求發(fā)送到外部控制器。通道1至通道4的診斷狀態(tài)寄存器會(huì)更新，可通過(guò)寄存器0x10的位[3:0]使能或禁用各通道的診斷功能。

技術(shù)規(guī)格

模擬性能

線路輸入應(yīng)用中，滿量程差分輸入電壓為10 V rms，麥克風(fēng)輸入應(yīng)用中，差分輸入電壓為2 V rms。麥克風(fēng)偏置輸出電壓可編程范圍為5 V至9 V，步進(jìn)0.5 V，輸出電流在不同偏置電壓下有所不同。ADC輸入電阻差分約為103 kΩ，單端約為50 kΩ，分辨率為24位，動(dòng)態(tài)范圍（A加權(quán)）線路輸入為109 dB，麥克風(fēng)輸入為95 dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）為?95 dB。

診斷和故障

適用于AINxP和AINxN引腳使用MICBIAS的差分麥克風(fēng)輸入，故障檢測(cè)的輸入電壓值可通過(guò)相關(guān)寄存器設(shè)置，故障時(shí)間可編程，范圍為10 ms至150 ms。

數(shù)字輸入/輸出

輸入高電平電壓（VIH）為0.7 × IOVDD，低電平電壓（VIL）為0.3 × IOVDD，輸入漏電流為±10 μA，輸入電容為5 pF。輸出高電平電壓（VOH）為IOVDD ? 0.60 V，低電平電壓（VOL）為0.4 V。

電源

DVDD片內(nèi)LDO輸出為1.62 V至1.98 V，AVDD和IOVDD為3.0 V至3.6 V，VBAT為14.4 V至18 V。不同工作模式下，各電源的電流和功耗有所不同。

數(shù)字濾波器

ADC抽取濾波器通帶為0.4375 × fS，通帶紋波為±0.015 dB，過(guò)渡帶為0.5 × fS。高通濾波器截止頻率為0.9375 Hz，相位偏差為10度，建立時(shí)間為20 Hz時(shí)。ADC數(shù)字增益步長(zhǎng)為0.375 dB，可在0 dB至60 dB范圍內(nèi)調(diào)整。

應(yīng)用電路

文檔提供了典型應(yīng)用原理圖，適用于雙麥克風(fēng)、雙線輸入、I2C和I2S模式。電路中包含了電源濾波、升壓轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)偏置、ADC輸入和輸出等部分，為工程師們提供了實(shí)際應(yīng)用的參考。

總結(jié)

ADAU1977作為一款集成診斷功能的四通道ADC，在性能、功能和應(yīng)用方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。其豐富的特性和靈活的配置使其能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，特別是在汽車音頻系統(tǒng)和有源噪聲消除系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。電子工程師們?cè)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/soft/data/61-62/" target="_blank">設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，可以充分利用ADAU1977的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性的信號(hào)采集與處理。同時(shí)，在使用過(guò)程中，需要注意電源管理、時(shí)鐘配置、診斷功能的設(shè)置等方面，以確保器件的正常工作。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過(guò)類似ADC的應(yīng)用挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。