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

在電子設(shè)備的音頻處理領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）扮演著至關(guān)重要的角色。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)用場景，成為眾多工程師的選擇。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品特性

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，內(nèi)部集成了抗混疊濾波器。其64×過采樣抽取濾波器表現(xiàn)卓越，通帶紋波僅為±0.05 dB，阻帶衰減達(dá)到 -65 dB，能有效減少信號失真和干擾。

2. 出色的模擬性能

在模擬性能方面，PCM1801的總諧波失真加噪聲（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，能為音頻信號提供高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換。同時，內(nèi)部的高通濾波器可進(jìn)一步優(yōu)化音頻信號。

3. 靈活的音頻接口

支持左對齊和I2S兩種PCM音頻接口，采樣率范圍為4 kHz至48 kHz，系統(tǒng)時鐘可選擇256 fS、384 fS或512 fS，滿足不同音頻系統(tǒng)的需求。

4. 低功耗與小封裝

采用單5V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，適合對尺寸有要求的應(yīng)用。

二、應(yīng)用場景

PCM1801適用于多種音頻相關(guān)的消費(fèi)類產(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)用場景對音頻質(zhì)量有較高要求，PCM1801的高性能能夠滿足其需求。

三、技術(shù)參數(shù)

1. 絕對最大額定值

• 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)字輸入電壓范圍為 -0.3 V至 (VDD + 0.3 V) 且小于6.5 V，模擬輸入電壓范圍為 -0.3 V至 (VCC + 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。

2. 推薦工作條件

• 模擬和數(shù)字電源電壓均為4.5 V至5.5 V，典型值為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)字輸入時鐘頻率方面，系統(tǒng)時鐘和采樣時鐘有相應(yīng)的范圍要求。
• 數(shù)字輸出負(fù)載電容為10 pF。

四、引腳配置

五、工作原理

1. 整體架構(gòu)

PCM1801由帶隙基準(zhǔn)、兩個單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器通道、一個全差分5階Δ - Σ調(diào)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(nèi)部高精度基準(zhǔn)配合外部電容提供轉(zhuǎn)換器所需的所有參考電壓，并定義了兩個通道的滿量程電壓范圍。

2. 信號處理過程

輸入信號以64×過采樣率進(jìn)行采樣，省去了采樣保持電路，簡化了抗混疊濾波要求。5階Δ - Σ噪聲整形器通過積分器、比較器和反饋環(huán)路對量化噪聲進(jìn)行整形，將其移出音頻頻段。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)，并去除量化噪聲。數(shù)字高通濾波器去除直流分量，最終通過串行接口將濾波后的輸出轉(zhuǎn)換為時分復(fù)用串行信號。

3. 系統(tǒng)時鐘

系統(tǒng)時鐘必須為256 fS、384 fS或512 fS，由SCKI引腳提供。芯片內(nèi)部有系統(tǒng)時鐘檢測電路，當(dāng)使用384 - fS或512 - fS系統(tǒng)時鐘時，會自動將時鐘分頻為256 fS用于數(shù)字濾波器和調(diào)制器的操作。

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）時初始化。系統(tǒng)時鐘作為復(fù)位電路的時鐘信號，上電時必須盡快提供，且在 (V{DD}>4 V) 之前至少要有三個系統(tǒng)時鐘周期。在 (V{CC} / V{DD}<4 V) 以及 (V{CC} / V{DD}>4 V) 后的1024個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)，芯片處于復(fù)位狀態(tài)，數(shù)字輸出為零。復(fù)位狀態(tài)釋放后18,436 (f{S}) 周期，數(shù)字輸出有效。

5. 串行音頻數(shù)據(jù)接口

通過BCK、LRCK和DOUT引腳與音頻系統(tǒng)接口。支持左對齊和I2S兩種數(shù)據(jù)格式，由FMT引腳控制選擇。不同格式下，對BCK/LRCK的要求有所不同。

6. 同步問題

PCM1801的LRCK與系統(tǒng)時鐘（SCKI）同步工作。如果LRCK和SCKI之間的關(guān)系在一個采樣周期內(nèi)變化超過6個位時鐘（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；變化小于5個位時鐘（BCK）時，不會發(fā)生重新同步，也不會出現(xiàn)輸出控制和數(shù)據(jù)不連續(xù)的情況。

7. HPF旁路控制

通過BYPAS引腳可以控制內(nèi)置的直流分量抑制功能是否旁路。低電平時為正常（直流切除）模式，高電平時為旁路（直通）模式。

六、應(yīng)用設(shè)計注意事項(xiàng)

1. 電路板設(shè)計與布局

• 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鉭電容就近旁路到相應(yīng)的接地引腳，以最大化ADC的動態(tài)性能。建議使用一個公共電源，避免電源順序問題導(dǎo)致的閂鎖等意外情況。
• 接地引腳：模擬地和數(shù)字地內(nèi)部不連接，應(yīng)確保低阻抗，避免數(shù)字噪聲反饋到模擬地。在PCM1801封裝下方直接連接兩者，減少潛在噪聲問題。
• 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。若需要更高的滿量程輸入電壓，可在輸入引腳添加串聯(lián)電阻。
• 參考引腳：從 (V{REF} 1) 和 (V{REF} 2) 到AGND使用4.7 - μF鉭電容，以確保低源阻抗，并盡可能靠近引腳放置，減少ADC參考的動態(tài)誤差。
• 輸出引腳：DOUT引腳具有較大的負(fù)載驅(qū)動能力，但建議在PCM1801附近設(shè)置緩沖器并最小化負(fù)載電容，以減少數(shù)模串?dāng)_，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 (V_{DD}) 進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)格式選擇。若應(yīng)用系統(tǒng)在PCM1801上電前無法確保有效系統(tǒng)時鐘，當(dāng)需要I2S格式時，應(yīng)在電源復(fù)位序列完成后將FMT引腳置高，可通過連接C - R延遲電路實(shí)現(xiàn)。
• 系統(tǒng)時鐘：系統(tǒng)時鐘的質(zhì)量會影響PCM1801的動態(tài)性能，必須仔細(xì)管理其占空比、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(yīng)同時提供，否則可能導(dǎo)致功耗增加，甚至影響長期可靠性。

七、典型電路連接

文檔中給出了一個典型的電路連接圖，輸入HPF截止頻率約為5 Hz。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求對電路進(jìn)行調(diào)整。

總之，PCM1801以其高性能、靈活性和易于使用的特點(diǎn)，為音頻處理應(yīng)用提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計過程中，工程師需要充分考慮其技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用注意事項(xiàng)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和良好性能。你在使用PCM1801的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。