德州儀器PCM1801：單端模擬輸入16位立體聲模數(shù)轉換器深度解析

一、引言

在當今的電子設備中，模數(shù)轉換器（ADC）扮演著至關重要的角色，它是模擬信號與數(shù)字信號之間的橋梁。德州儀器（TI）的PCM1801作為一款單端模擬輸入16位立體聲模數(shù)轉換器，以其出色的性能和廣泛的應用場景，受到了眾多電子工程師的青睞。本文將對PCM1801進行全面深入的解析，希望能為各位工程師在設計中提供有價值的參考。

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二、PCM1801的特性與優(yōu)勢

2.1 高性能ADC架構

PCM1801采用雙16位單片ΔΣ ADC，具有單端電壓輸入功能，并且內置抗混疊濾波器。其64×過采樣抽取濾波器表現(xiàn)出色，通帶紋波僅為±0.05 dB，阻帶衰減達到 -65 dB，能有效濾除噪聲，保證信號的純凈度。

2.2 優(yōu)異的模擬性能

在模擬性能方面，PCM1801表現(xiàn)卓越?？傊C波失真加噪聲（THD + N）典型值為 -88 dB，信噪比（SNR）和動態(tài)范圍典型值均為93 dB，能夠提供高質量的音頻轉換。此外，內部的高通濾波器可有效去除直流分量，進一步提升音頻質量。

2.3 靈活的接口與采樣率

PCM1801支持左對齊和I2S兩種PCM音頻接口格式，采樣率范圍為4 kHz至48 kHz，系統(tǒng)時鐘可選256 fS、384 fS或512 fS，能滿足不同應用場景的需求。

2.4 低功耗與小封裝

該芯片采用單5 - V電源供電，功耗較低，并且采用小型SO - 14封裝，節(jié)省電路板空間，非常適合對尺寸和功耗有嚴格要求的應用。

三、應用場景

PCM1801適用于多種消費類電子產品，如DVD錄像機、DVD接收器、AV放大器接收器以及電子樂器等。這些應用場景對音頻質量要求較高，PCM1801的高性能特性能夠很好地滿足需求。

四、技術參數(shù)詳解

4.1 絕對最大額定值

了解芯片的絕對最大額定值對于正確使用芯片至關重要。PCM1801的電源電壓范圍為 -0.3 V至6.5 V，電源電壓差和地電壓差均為±0.1 V，數(shù)字和模擬輸入電壓范圍為 -0.3 V至（VDD + 0.3 V）且小于6.5 V，輸入電流（除電源引腳外）為±10 mA，功率耗散為300 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，焊接時引腳溫度為260°C（5 s），封裝溫度（IR回流峰值）為235°C。

4.2 推薦工作條件

在推薦工作條件下，模擬和數(shù)字電源電壓均為4.5 V至5.5 V，模擬輸入滿量程電壓為2.828 Vp - p，數(shù)字輸入邏輯家族為TTL，數(shù)字輸入時鐘頻率根據(jù)系統(tǒng)時鐘和采樣時鐘有所不同，數(shù)字輸出負載電容為10 pF，工作環(huán)境溫度為 -25°C至85°C。

4.3 引腳配置

PCM1801共有14個引腳，每個引腳都有其特定的功能。例如，AGND和DGND分別為模擬地和數(shù)字地，BCK為位時鐘輸入，DOUT為音頻數(shù)據(jù)輸出等。工程師在設計電路板時，需要根據(jù)引腳功能進行合理布局。

4.4 電氣特性

在電氣特性方面，PCM1801的分辨率為16位，數(shù)字輸入輸出的邏輯電平、電流等參數(shù)都有明確規(guī)定。此外，還包括直流精度、動態(tài)性能、模擬輸入、數(shù)字濾波器性能等方面的參數(shù)，這些參數(shù)直接影響著芯片的性能表現(xiàn)。

五、工作原理

5.1 整體架構

PCM1801主要由帶隙基準、兩個單端轉差分轉換器、一個全差分5階ΔΣ調制器、一個抽取濾波器（包括數(shù)字高通濾波器）和一個串行接口電路組成。內部高精度基準和兩個外部電容提供轉換器所需的所有參考電壓，并定義了兩個通道的滿量程電壓范圍。

5.2 信號處理過程

輸入信號以64×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ΔΣ噪聲整形器由五個積分器、一個比較器和一個1位數(shù)模轉換器（DAC）組成的反饋回路構成，將量化噪聲移出音頻頻段。抽取濾波器將調制器輸出的64 - fS、1位數(shù)據(jù)流轉換為1 - fS、16位數(shù)字數(shù)據(jù)，并作為低通濾波器去除量化噪聲。數(shù)字高通濾波器去除直流分量，濾波后的輸出通過串行接口轉換為時分復用串行信號。

5.3 系統(tǒng)時鐘

PCM1801的系統(tǒng)時鐘必須為256 fS、384 fS或512 fS，由SCKI引腳提供。芯片內部有系統(tǒng)時鐘檢測電路，當使用384 - fS或512 - fS系統(tǒng)時鐘時，會自動將時鐘分頻為256 fS。

5.4 上電復位

PCM1801具有內部上電復位電路，當電源電壓超過4 V（典型值）時初始化。系統(tǒng)時鐘作為復位電路的時鐘信號，上電后必須盡快提供系統(tǒng)時鐘，在VDD > 4 V之前至少需要三個系統(tǒng)時鐘周期。在VCC / VDD < 4 V（典型值）以及VCC / VDD > 4 V后的1024個系統(tǒng)時鐘周期內，芯片處于復位狀態(tài)，數(shù)字輸出為零。復位狀態(tài)解除后18,436 fS周期，數(shù)字輸出有效。

5.5 串行音頻數(shù)據(jù)接口

PCM1801通過BCK、LRCK和DOUT引腳與音頻系統(tǒng)接口。支持左對齊和I2S兩種音頻數(shù)據(jù)格式，由FMT引腳控制選擇。接口時序有嚴格要求，如BCK周期、脈沖持續(xù)時間、LRCK建立和保持時間等。

5.6 同步問題

PCM1801的LRCK與系統(tǒng)時鐘（SCKI）同步工作，不要求LRCK和SCKI之間有特定的相位關系，但需要二者同步。如果在一個采樣周期內LRCK和SCKI的關系變化超過6個位時鐘（BCK），ADC內部操作將停止，數(shù)字輸出被強制為零，直到重新同步。

5.7 HPF旁路控制

通過BYPAS引腳可以控制內置的高通濾波器是否旁路。低電平時為正常模式（直流截止），高電平時為旁路模式，此時輸入模擬信號的直流分量和內部直流偏移等也會被轉換并輸出。

六、應用設計注意事項

6.1 電路板設計與布局

• 電源引腳：數(shù)字和模擬電源線路應使用0.1 - μF陶瓷電容和10 - μF鉭電容盡可能靠近引腳旁路到相應的地引腳，以提高ADC的動態(tài)性能。建議使用一個公共電源，避免電源排序問題。
• 接地引腳：模擬地和數(shù)字地內部不連接，應保持低阻抗，直接在PCM1801封裝下連接，以減少噪聲問題。
• 輸入引腳：推薦使用1.0 - μF鉭電容作為交流耦合電容，建立5.3 - Hz截止頻率。如果需要更高的滿量程輸入電壓，可以在VIN引腳添加串聯(lián)電阻。
• 參考引腳：為確保低源阻抗，建議在VREF1和VREF2引腳到AGND之間使用4.7 - μF鉭電容，并盡可能靠近引腳。
• 輸出引腳：DOUT引腳負載驅動能力較大，但建議在PCM1801附近放置緩沖器并最小化負載電容，以減少數(shù)字 - 模擬串擾，提高ADC的動態(tài)性能。
• FMT引腳：一般根據(jù)接口要求將FMT引腳連接到DGND或VDD以選擇音頻數(shù)據(jù)格式。如果在PCM1801上電前無法確保有效系統(tǒng)時鐘，當需要I2S格式時，應在電源復位序列完成后將FMT引腳置高，可以通過連接一個延遲時間大于1 ms的C - R延遲電路來實現(xiàn)。
• 系統(tǒng)時鐘：系統(tǒng)時鐘的質量會影響PCM1801的動態(tài)性能，需要仔細管理時鐘輸入引腳的占空比、抖動和閾值電壓。上電時，系統(tǒng)時鐘、位時鐘（BCK）和字時鐘（LRCK）應同時提供，否則可能導致功耗增加，甚至影響長期可靠性。

6.2 典型電路連接

文中給出了一個典型的電路連接圖，輸入高通濾波器截止頻率約為5 Hz。在實際設計中，可以參考該電路進行布局和連接。

七、總結

PCM1801作為一款高性能的單端模擬輸入16位立體聲模數(shù)轉換器，具有諸多優(yōu)點，如優(yōu)異的模擬性能、靈活的接口和采樣率、低功耗和小封裝等。在應用設計中，工程師需要充分了解其技術參數(shù)、工作原理和應用注意事項，合理進行電路板設計和布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。各位工程師在使用PCM1801時，是否遇到過一些特殊的問題或者有獨特的設計經驗呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。