深入剖析PCM1800：20位立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在音頻處理領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的性能直接影響著音頻質(zhì)量。TI的PCM1800作為一款低成本、高性能的單芯片立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的特性和廣泛的應用場景，成為眾多電子工程師的熱門選擇。今天，我們就來深入了解一下這款PCM1800。

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一、產(chǎn)品概述

PCM1800是一款單端模擬電壓輸入的20位立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用高度先進的CMOS工藝制造，封裝為小巧的24引腳SSOP封裝，適用于對成本敏感且對性能有要求的各種消費類應用，如DVD錄像機、DVD接收器、AV放大器接收器和電子樂器等。

（一）產(chǎn)品特性

1. 雙20位單片ΔΣ ADC：具備雙聲道20位的轉(zhuǎn)換精度，為音頻信號提供高精度的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。
2. 單端電壓輸入：方便與單端信號源連接，簡化電路設計。
3. 64倍過采樣抽取濾波器
   • 通帶紋波僅為±0.05 dB，確保音頻信號在通帶內(nèi)的穩(wěn)定性。
   • 阻帶衰減達到 -65 dB，有效抑制帶外噪聲。
4. 高性能指標
   • 總諧波失真加噪聲（THD + N）典型值為 -88 dB，保證了低失真的音頻轉(zhuǎn)換。
   • 信噪比（SNR）典型值為 95 dB，提供清晰、純凈的音頻信號。
   • 動態(tài)范圍典型值為 95 dB，能夠捕捉到音頻信號的細微變化。
   • 內(nèi)置高通濾波器，可去除直流分量。
5. PCM音頻接口
   • 支持主/從模式，可靈活適應不同的系統(tǒng)架構(gòu)。
   • 提供四種數(shù)據(jù)格式，滿足多樣化的音頻數(shù)據(jù)傳輸需求。
6. 采樣率范圍廣：采樣率可在 4 kHz 至 48 kHz 之間調(diào)整，適應不同音頻應用的要求。
7. 系統(tǒng)時鐘靈活：系統(tǒng)時鐘可選 256 fS、384 fS 或 512 fS，方便與不同的時鐘源配合。
8. 單 5V 電源供電：簡化電源設計，降低系統(tǒng)成本。

二、電氣特性

（一）分辨率與數(shù)字輸入輸出

PCM1800的分辨率為20位，數(shù)字輸入輸出具有明確的邏輯電平要求。輸入邏輯高電平（VIH）為2 V，輸入邏輯低電平（VIL）為0.8 V；輸出邏輯高電平（VOH）在 IOH = -1.6 mA 時為4.5 V，輸出邏輯低電平（VOL）在 IOL = 3.2 mA 時為0.5 V。

（二）采樣頻率與系統(tǒng)時鐘

采樣頻率范圍為 4 kHz 至 48 kHz，系統(tǒng)時鐘頻率根據(jù)不同的采樣率和倍數(shù)關(guān)系有所不同。例如，當采樣率為 44.1 kHz 時，256 fS 對應的系統(tǒng)時鐘頻率為 11.2896 MHz，384 fS 為 16.9344 MHz，512 fS 為 22.5792 MHz。

（三）直流精度

通道間增益失配在±1%至±2.5% FSR 之間，增益誤差在±2%至±5% FSR 之間，增益漂移為±20 ppm/°C FSR。雙極性零誤差在高通濾波器旁路時為±2% FSR，雙極性零漂移為±20 ppm/°C FSR。

（四）動態(tài)性能

在滿量程（-0.5 dB）時，THD + N 典型值為 -88 dB，在 -60 dB 時為 -92 dB。A 加權(quán)動態(tài)范圍典型值為 95 dB，A 加權(quán)信噪比典型值為 95 dB，通道分離度典型值為 93 dB。

（五）模擬輸入

輸入范圍在滿量程（VIN = 0 dB）時為 2.828 Vp-p，中心電壓為 2.1 VDC，輸入阻抗為 30 kΩ?？够殳B濾波器在 CEXT = 470 pF 時，-3 dB 頻率為 170 kHz。

（六）電源要求與溫度范圍

電源電壓 VCC 和 VDD 的范圍為 4.5 V 至 5.5 V，典型值為 5 V。在 VCC = VDD = 5 V 時，電源電流典型值為 18 mA，功耗典型值為 90 mW。工作溫度范圍為 -25°C 至 85°C，存儲溫度范圍為 -55°C 至 125°C。

三、引腳配置與功能

四、工作原理

（一）整體架構(gòu)

PCM1800主要由帶隙基準、兩個單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器、一個全差分 5 階 delta - sigma 調(diào)制器、一個抽取濾波器（包括數(shù)字高通）和一個串行接口電路組成。

（二）信號處理過程

1. 參考電壓提供：內(nèi)部高精度參考與兩個外部電容提供轉(zhuǎn)換器所需的所有參考電壓，并定義了兩個聲道的滿量程電壓范圍。
2. 單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換：內(nèi)部單端轉(zhuǎn)差分電壓轉(zhuǎn)換器節(jié)省了外部電路的設計、空間和額外部件。
3. 過采樣與調(diào)制：輸入信號以 64 倍過采樣率進行采樣，無需采樣保持電路，簡化了抗混疊濾波要求。5 階 delta - sigma 噪聲整形器由五個積分器、一個比較器和一個 1 位 DAC 組成的反饋回路構(gòu)成，將量化噪聲移出音頻頻段。
4. 抽取濾波與高通濾波：調(diào)制器輸出的 64 - fS、1 位數(shù)據(jù)流通過抽取濾波器轉(zhuǎn)換為 1 - fS、20 位數(shù)字數(shù)據(jù)，同時作為低通濾波器去除量化噪聲。高通濾波器去除直流分量。
5. 串行輸出：濾波后的輸出通過串行接口轉(zhuǎn)換為時分復用的串行信號，提供靈活的串行格式和主/從模式。

五、系統(tǒng)時鐘與復位

（一）系統(tǒng)時鐘

PCM1800的系統(tǒng)時鐘必須為 256 fS、384 fS 或 512 fS，由 SYSCLK 引腳提供。它還具備系統(tǒng)時鐘檢測電路，可自動識別時鐘頻率。在 384 - fS 或 512 - fS 系統(tǒng)時鐘的從模式下，系統(tǒng)時鐘會自動分頻為 256 fS 用于數(shù)字濾波和調(diào)制器。

（二）復位與電源管理

PCM1800 具有內(nèi)部上電復位電路和外部強制復位（RSTB 引腳）。內(nèi)部上電復位在電源電壓超過 4 V 時初始化。外部復位時，將 RSTB 引腳置為低電平。在復位期間，邏輯電路和數(shù)字濾波器停止工作并進入掉電模式，數(shù)字輸出在復位釋放后 18,436 fS 周期后有效。

六、串行音頻數(shù)據(jù)接口

（一）接口模式

PCM1800 支持主/從模式，通過 MODE1 和 MODE0 引腳選擇。主模式下，BCK、LRCK 和 FSYNC 為輸出引腳，由內(nèi)部時鐘電路控制；從模式下，這些引腳為輸入引腳，接收外部控制器的時序。

（二）數(shù)據(jù)格式

支持四種音頻數(shù)據(jù)格式，通過 FMT1 和 FMT0 引腳選擇，包括 20 位左對齊、20 位 I2S、16 位右對齊和 20 位右對齊格式。

（三）接口時序

主/從模式下的接口時序有明確的要求，如 BCK 周期、脈沖持續(xù)時間、信號延遲時間等。在從模式下，PCM1800 需要 LRCK 與系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）同步，若兩者關(guān)系變化超過 6 個 BCK，則 ADC 內(nèi)部操作暫停，數(shù)字輸出進入 BPZ 模式，直到重新同步。

七、總結(jié)

PCM1800 以其高分辨率、高性能、靈活的接口和小巧的封裝，為音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換提供了優(yōu)秀的解決方案。在實際設計中，電子工程師需要根據(jù)具體應用需求，合理選擇系統(tǒng)時鐘、接口模式和數(shù)據(jù)格式，確保 PCM1800 發(fā)揮最佳性能。同時，要注意復位和同步操作，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。大家在使用 PCM1800 的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。