德州儀器PCM1801：?jiǎn)味?a href="http://m.greenbey.cn/analog/" target="_blank">模擬輸入16位立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器深度解析

一、引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）扮演著至關(guān)重要的角色，它是模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)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(zhuǎn)換器，以其出色的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，受到了眾多電子工程師的青睞。本文將對(duì)PCM1801進(jìn)行全面深入的解析，希望能為各位工程師在設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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二、PCM1801的特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 高性能ADC架構(gòu)

PCM1801采用雙16位單片ΔΣ ADC，具有單端電壓輸入功能，并且內(nèi)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(dá)到 -65 dB，能有效濾除噪聲，保證信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍典型值均為93 dB，能夠提供高質(zhì)量的音頻轉(zhuǎn)換。此外，內(nèi)部的高通濾波器可有效去除直流分量，進(jìn)一步提升音頻質(zhì)量。

2.3 靈活的接口與采樣率

PCM1801支持左對(duì)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(shí)鐘可選256 fS、384 fS或512 fS，能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)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(duì)尺寸和功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

PCM1801適用于多種消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如DVD錄像機(jī)、DVD接收器、AV放大器接收器以及電子樂器等。這些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)音頻質(zhì)量要求較高，PCM1801的高性能特性能夠很好地滿足需求。

四、技術(shù)參數(shù)詳解

4.1 絕對(duì)最大額定值

了解芯片的絕對(duì)最大額定值對(duì)于正確使用芯片至關(guān)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(chǔ)溫度范圍為 -55°C至125°C，焊接時(shí)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(shí)鐘頻率根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘和采樣時(shí)鐘有所不同，數(shù)字輸出負(fù)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(gè)引腳，每個(gè)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(shí)鐘輸入，DOUT為音頻數(shù)據(jù)輸出等。工程師在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，需要根據(jù)引腳功能進(jìn)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(dòng)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(gòu)

PCM1801主要由帶隙基準(zhǔn)、兩個(gè)單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器、一個(gè)全差分5階ΔΣ調(diào)制器、一個(gè)抽取濾波器（包括數(shù)字高通濾波器）和一個(gè)串行接口電路組成。內(nèi)部高精度基準(zhǔn)和兩個(gè)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(gè)通道的滿量程電壓范圍。

5.2 信號(hào)處理過程

輸入信號(hào)以64×過采樣率進(jìn)行采樣，無需采樣保持電路，簡(jiǎn)化了抗混疊濾波要求。5階ΔΣ噪聲整形器由五個(gè)積分器、一個(gè)比較器和一個(gè)1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成的反饋回路構(gòu)成，將量化噪聲移出音頻頻段。抽取濾波器將調(diào)制器輸出的64 - fS、1位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為1 - fS、16位數(shù)字?jǐn)?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(zhuǎn)換為時(shí)分復(fù)用串行信號(hào)。

5.3 系統(tǒng)時(shí)鐘

PCM1801的系統(tǒng)時(shí)鐘必須為256 fS、384 fS或512 fS，由SCKI引腳提供。芯片內(nèi)部有系統(tǒng)時(shí)鐘檢測(cè)電路，當(dāng)使用384 - fS或512 - fS系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，會(huì)自動(dòng)將時(shí)鐘分頻為256 fS。

5.4 上電復(fù)位

PCM1801具有內(nèi)部上電復(fù)位電路，當(dāng)電源電壓超過4 V（典型值）時(shí)初始化。系統(tǒng)時(shí)鐘作為復(fù)位電路的時(shí)鐘信號(hào)，上電后必須盡快提供系統(tǒng)時(shí)鐘，在VDD > 4 V之前至少需要三個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。在VCC / VDD < 4 V（典型值）以及VCC / VDD > 4 V后的1024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)，芯片處于復(fù)位狀態(tài)，數(shù)字輸出為零。復(fù)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(duì)齊和I2S兩種音頻數(shù)據(jù)格式，由FMT引腳控制選擇。接口時(shí)序有嚴(yán)格要求，如BCK周期、脈沖持續(xù)時(shí)間、LRCK建立和保持時(shí)間等。

5.6 同步問題

PCM1801的LRCK與系統(tǒng)時(shí)鐘（SCKI）同步工作，不要求LRCK和SCKI之間有特定的相位關(guān)系，但需要二者同步。如果在一個(gè)采樣周期內(nèi)LRCK和SCKI的關(guān)系變化超過6個(gè)位時(shí)鐘（BCK），ADC內(nèi)部操作將停止，數(shù)字輸出被強(qiáng)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(nèi)置的高通濾波器是否旁路。低電平時(shí)為正常模式（直流截止），高電平時(shí)為旁路模式，此時(shí)輸入模擬信號(hào)的直流分量和內(nèi)部直流偏移等也會(huì)被轉(zhuǎn)換并輸出。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

6.1 電路板設(shè)計(jì)與布局

• 電源引腳：數(shù)字和模擬電源線路應(yīng)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(yīng)的地引腳，以提高ADC的動(dòng)態(tài)性能。建議使用一個(gè)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(nèi)部不連接，應(yīng)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(fù)載驅(qū)動(dòng)能力較大，但建議在PCM1801附近放置緩沖器并最小化負(fù)載電容，以減少數(shù)字 - 模擬串?dāng)_，提高ADC的動(dòng)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(shí)鐘，當(dāng)需要I2S格式時(shí)，應(yīng)在電源復(fù)位序列完成后將FMT引腳置高，可以通過連接一個(gè)延遲時(shí)間大于1 ms的C - R延遲電路來實(shí)現(xiàn)。
• 系統(tǒng)時(shí)鐘：系統(tǒng)時(shí)鐘的質(zhì)量會(huì)影響PCM1801的動(dòng)態(tài)性能，需要仔細(xì)管理時(shí)鐘輸入引腳的占空比、抖動(dòng)和閾值電壓。上電時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘、位時(shí)鐘（BCK）和字時(shí)鐘（LRCK）應(yīng)同時(shí)提供，否則可能導(dǎo)致功耗增加，甚至影響長(zhǎng)期可靠性。

6.2 典型電路連接

文中給出了一個(gè)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(shí)際設(shè)計(jì)中，可以參考該電路進(jìn)行布局和連接。

七、總結(jié)

PCM1801作為一款高性能的單端模擬輸入16位立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用設(shè)計(jì)中，工程師需要充分了解其技術(shù)參數(shù)、工作原理和應(yīng)用注意事項(xiàng)，合理進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)和布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。各位工程師在使用PCM1801時(shí)，是否遇到過一些特殊的問題或者有獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。