PCM1718E立體聲音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器：技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在音頻處理領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）扮演著至關(guān)重要的角色。PCM1718E作為一款性能卓越的立體聲音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以其低成本、高性能和多功能等特點(diǎn)，在消費(fèi)類音頻應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將對(duì)PCM1718E進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)剖析，并探討其在實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

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一、PCM1718E的特性

1. 輸入兼容性

PCM1718E能夠接受16位或18位I2S數(shù)據(jù)格式，以及18位普通輸入數(shù)據(jù)格式，為不同的數(shù)據(jù)來源提供了靈活的接口選擇。

2. 完整的立體聲DAC架構(gòu)

該芯片集成了8倍過采樣數(shù)字濾波器、多級(jí)Delta - Sigma DAC、模擬低通濾波器和輸出放大器，形成了一個(gè)完整的立體聲DAC解決方案。

3. 高性能表現(xiàn)

具有 - 90dB的總諧波失真加噪聲（THD + N）、96dB的動(dòng)態(tài)范圍和100dB的信噪比（SNR），能夠提供高質(zhì)量的音頻輸出。

4. 靈活的系統(tǒng)時(shí)鐘

系統(tǒng)時(shí)鐘支持256fs或384fs，其中fs為音頻采樣頻率，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

5. 寬電源電壓范圍

電源電壓范圍為 + 2.7V至 + 5.5V，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

6. 可選擇功能

具備軟靜音、數(shù)字去加重等可選擇功能，方便用戶根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行靈活配置。

7. 小型封裝

采用20引腳SSOP封裝，體積小巧，適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

1. 分辨率

分辨率為16 - 18位，能夠滿足大多數(shù)音頻應(yīng)用的需求。

2. 數(shù)字輸入/輸出

• 邏輯電平：不同引腳的輸入邏輯電平有明確的規(guī)定，如VIH（2）為VDD的70%，VIL（2）為VDD的30%等。
• 輸入邏輯電流：不同引腳的輸入邏輯電流也有相應(yīng)的要求，如IIH（5）為 - 6.0μA等。
• 輸出邏輯電平：在特定條件下，輸出邏輯電平也有明確的數(shù)值，如VOH（7）在IOH = - 5mA時(shí)為3.8V，VOL（7）在IOL = + 5mA時(shí)為1.0V。

3. 采樣頻率和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率

采樣頻率范圍為32kHz - 48kHz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為256fs/384fs，對(duì)應(yīng)的頻率范圍分別為8.192/12.288MHz - 12.288/18.432MHz。

4. 直流精度

• 增益誤差：±1.0% - ±5.0%的滿量程范圍（FSR）。
• 增益失配：通道間增益失配為±1.0% - ±5.0%的FSR。
• 雙極性零誤差：在雙極性零狀態(tài)下，輸出電壓為VCC的1/2，誤差為±30mV。

5. 動(dòng)態(tài)性能

在不同電源電壓和頻率條件下，THD + N、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比等指標(biāo)表現(xiàn)良好。例如，在VCC = + 5V，f = 991Hz時(shí)，THD + N在滿量程（0dB）時(shí)為 - 90dB，動(dòng)態(tài)范圍為96dB，信噪比為100dB。

6. 數(shù)字濾波器性能

• 通帶紋波：±0.17dB。
• 阻帶衰減：在不同采樣頻率下有相應(yīng)的要求。
• 去加重誤差：在不同采樣頻率下有特定的數(shù)值。
• 延遲時(shí)間：由公式TD = 11.125 × 1/fs計(jì)算得出，例如在fs = 44.1kHz時(shí)，TD = 251.4μs。

7. 模擬輸出

• 電壓范圍：輸出電壓范圍為VCC的62%峰 - 峰值。
• 負(fù)載阻抗：負(fù)載阻抗為5kΩ。
• 中心電壓：中心電壓為VCC的50%。

8. 電源要求

• 電源電壓：+ 2.7V - + 5.5V。
• 電源電流：在不同電源電壓下有相應(yīng)的數(shù)值，如在 + VCC = + VDD = + 5V時(shí)，電源電流為18.0mA，功耗為90mW。

9. 溫度范圍

• 工作溫度： - 25°C - + 85°C。
• 存儲(chǔ)溫度： - 55°C - + 100°C。

三、引腳配置與功能

1. 數(shù)據(jù)輸入接口引腳

• LRCIN（引腳4）：采樣率時(shí)鐘輸入，控制更新速率（fs）。
• DIN（引腳5）：串行數(shù)據(jù)輸入，支持MSB優(yōu)先、右對(duì)齊（索尼格式，18位）或I2S（飛利浦格式，16或18位）。
• BCKIN（引腳6）：位時(shí)鐘輸入，用于時(shí)鐘同步輸入數(shù)據(jù)。

2. 模式控制和時(shí)鐘信號(hào)引腳

• XTI（引腳1）：振蕩器輸入（外部時(shí)鐘輸入），可連接內(nèi)部晶體振蕩器或外部時(shí)鐘。
• FORMAT（引腳14）：選擇輸入數(shù)據(jù)格式，高電平選擇I2S格式，低電平選擇普通（索尼）格式。
• DM0（引腳16）和DM1（引腳17）：去加重選擇。
• MUTE（引腳18）：軟靜音控制，低電平時(shí)輸出靜音。
• CLKO（引腳19）：振蕩器的緩沖輸出，等同于XTI。
• XTO（引腳20）：振蕩器輸出，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)連接晶體振蕩器的另一側(cè)，使用外部時(shí)鐘時(shí)懸空。

3. 操作控制和標(biāo)志引腳

• ZERO（引腳7）：無限零檢測(cè)標(biāo)志，開漏輸出，當(dāng)輸入連續(xù)65,536個(gè)BCKIN周期為零時(shí)，ZERO為低電平。
• RSTB（引腳15）：復(fù)位DAC操作，低電平脈沖有效。

4. 模擬輸出引腳

• D/C_R（引腳8）：右聲道輸出放大器公共端，需用10μF電容旁路到地。
• VOUT_R（引腳9）：右聲道模擬輸出，最大輸出電壓為0.62 × VCC。
• VOUT_L（引腳12）：左聲道模擬輸出，最大輸出電壓為0.62 × VCC。
• D/C_L（引腳13）：左聲道輸出放大器公共端，需用10μF電容旁路到地。

5. 電源連接引腳

• DGND（引腳2）：數(shù)字地。
• VDD（引腳3）：數(shù)字電源（+ 5V或 + 3V）。
• AGND（引腳10）：模擬地。
• VCC（引腳11）：模擬電源（+ 5V或 + 3V）。

四、系統(tǒng)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)接口

1. 系統(tǒng)時(shí)鐘

系統(tǒng)時(shí)鐘必須為256fs或384fs，可由晶體振蕩器或外部時(shí)鐘提供。芯片具有系統(tǒng)時(shí)鐘檢測(cè)電路，能自動(dòng)識(shí)別時(shí)鐘頻率，并與LRCIN時(shí)鐘同步。若時(shí)鐘不同步，芯片可內(nèi)部補(bǔ)償相位差，但當(dāng)相位差大于6個(gè)BCKIN時(shí)鐘時(shí)，模擬輸出將被強(qiáng)制為雙極性零的直流電平，同步過程通常在小于1個(gè)LRCIN周期內(nèi)完成。

2. 數(shù)據(jù)接口格式

支持普通和I2S兩種數(shù)據(jù)格式。普通數(shù)據(jù)格式為MSB優(yōu)先、二進(jìn)制補(bǔ)碼、右對(duì)齊；I2S數(shù)據(jù)格式與飛利浦串行數(shù)據(jù)協(xié)議兼容。

五、功能控制

1. 數(shù)據(jù)輸入格式選擇

通過FORMAT引腳（引腳14）控制，高電平選擇I2S格式，低電平選擇普通格式。

2. 軟靜音控制

MUTE引腳（引腳18）低電平時(shí)，輸出靜音，且在數(shù)字域進(jìn)行靜音操作，避免了可聽的“咔噠”聲。

3. 去加重選擇

通過DM0（引腳16）和DM1（引腳17）的不同組合選擇不同的去加重模式，包括關(guān)閉、48kHz、44.1kHz和32kHz。

4. 復(fù)位操作

芯片具有內(nèi)部上電復(fù)位電路和RSTB引腳（引腳15）外部強(qiáng)制復(fù)位功能。內(nèi)部上電復(fù)位在VDD > 2.2V（典型值）時(shí)自動(dòng)初始化，復(fù)位期間DAC輸出無效，模擬輸出被強(qiáng)制為VCC / 2。RSTB引腳低電平時(shí)，DAC輸出無效，在RSTB變?yōu)楦唠娖胶?024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)后，模擬輸出被強(qiáng)制為VCC / 2。

六、電源連接與旁路

1. 電源連接

PCM1718E有數(shù)字（VDD）和模擬（VCC）兩個(gè)電源連接，且各有獨(dú)立的地。為避免閂鎖現(xiàn)象，建議數(shù)字和模擬電源采用公共連接；若使用獨(dú)立電源，上電期間兩者的差值必須小于0.6V。

2. 電源旁路

電源應(yīng)盡可能靠近芯片進(jìn)行旁路，可參考典型連接圖選擇合適的旁路電容值。

七、工作原理

PCM1718E的Delta - Sigma部分基于5電平幅度量化器和3階噪聲整形器，將過采樣輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為5電平Delta - Sigma格式。與典型的1位（2電平）Delta - Sigma調(diào)制器相比，5電平Delta - Sigma調(diào)制器具有更好的穩(wěn)定性和時(shí)鐘抖動(dòng)靈敏度。

八、應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. 延遲時(shí)間

Delta - Sigma轉(zhuǎn)換器存在有限的延遲時(shí)間，PCM1718E的延遲時(shí)間由FIR濾波器階數(shù)和采樣率決定，計(jì)算公式為TD = 11.125 × 1/fs。對(duì)于光盤或磁帶源數(shù)據(jù)的應(yīng)用，延遲時(shí)間通常不會(huì)產(chǎn)生影響；但對(duì)于廣播音頻等專業(yè)應(yīng)用，總延遲時(shí)間應(yīng)小于2ms。

2. 輸出濾波

為了準(zhǔn)確測(cè)量THD + N等動(dòng)態(tài)指標(biāo)，測(cè)試時(shí)需使用20kHz低通濾波器。若不使用該濾波器，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較高的THD + N和較低的SNR及動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于驅(qū)動(dòng)寬帶放大器的應(yīng)用，建議使用外部低通濾波器，如3階濾波器；對(duì)于一些應(yīng)用，無源RC濾波器或2階濾波器可能也足夠。

3. 測(cè)試條件

生產(chǎn)測(cè)試時(shí)使用11階濾波器去除噪聲，但在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，3階濾波器即可滿足要求。在正常條件下，使用30kHz低通濾波器時(shí)THD + N典型性能為 - 70dB，使用外部20kHz 11階濾波器時(shí)可提高到 - 89dB。對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，單個(gè)RC濾波器可能足夠。

4. 帶外噪聲考慮

Delta - Sigma DAC對(duì)主時(shí)鐘的抖動(dòng)非常敏感，時(shí)鐘的相位噪聲會(huì)導(dǎo)致噪聲增加，降低動(dòng)態(tài)范圍。多電平Delta - Sigma DAC由于具有多個(gè)輸出狀態(tài)，理論上提高了SNR，降低了對(duì)抖動(dòng)的靈敏度。

九、評(píng)估夾具與封裝信息

1. 評(píng)估夾具

DEM - PCM1718評(píng)估夾具主要用于快速評(píng)估PCM1718的性能，可接受外部時(shí)鐘或用戶安裝的晶體振蕩器，所有功能可通過板載開關(guān)控制，不包含接收器芯片和外部低通濾波器，需要 + 2.7V - + 5V的單電源供電。

2. 封裝信息

PCM1718E采用20引腳SSOP封裝，相關(guān)封裝信息包括包裝類型、引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、尺寸等，同時(shí)還提供了環(huán)保計(jì)劃、引腳鍍層/球材料、MSL峰值溫度等信息。

PCM1718E以其豐富的功能和優(yōu)異的性能，為音頻應(yīng)用提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇參數(shù)和配置，注意電源連接、濾波等問題，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。你在使用PCM1718E過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。