PCM1704：24位96kHz高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器的深度解析

在音頻設(shè)備和波形合成等應(yīng)用中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的性能至關(guān)重要。PCM1704作為一款24位、96kHz的高性能DAC，以其卓越的動(dòng)態(tài)性能和低失真特性，成為高端消費(fèi)和專業(yè)音頻應(yīng)用的理想選擇。下面，我們就來詳細(xì)了解一下PCM1704的特點(diǎn)、工作原理、關(guān)鍵參數(shù)以及應(yīng)用注意事項(xiàng)。

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一、PCM1704的主要特性

1. 采樣頻率與過采樣

PCM1704的采樣頻率范圍為16kHz至96kHz，在96kHz時(shí)支持8倍過采樣。這種過采樣技術(shù)有助于提高音頻信號(hào)的質(zhì)量，減少噪聲和失真。

2. 輸入音頻數(shù)據(jù)

支持20位和24位的輸入音頻數(shù)據(jù)字，采用二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，最高有效位（MSB）優(yōu)先。

3. 高性能指標(biāo)

• 動(dòng)態(tài)范圍：K級(jí)典型值為112dB。
• 信噪比（SNR）：典型值為120dB。
• 總諧波失真加噪聲（THD+N）：K級(jí)典型值為0.0008%。

  4. 快速電流輸出

  能夠提供±1.2mA/200ns的快速電流輸出，確保信號(hào)的快速響應(yīng)。

  5. 無毛刺輸出

  采用BiCMOS符號(hào)幅度架構(gòu)，消除了雙極性零點(diǎn)附近的毛刺和其他非線性問題。

  6. 引腳可編程數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)

  通過引腳可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)的極性進(jìn)行選擇，增加了使用的靈活性。

  7. 電源要求

  僅需±5V的電源供電，采用20引腳的SO封裝，體積小巧。

二、工作原理：符號(hào)幅度架構(gòu)

傳統(tǒng)的數(shù)字音頻系統(tǒng)通常使用激光微調(diào)的電流源DAC來實(shí)現(xiàn)足夠的精度，但在雙極性零點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)低電平非線性問題。而PCM1704采用了創(chuàng)新的符號(hào)幅度架構(gòu)，結(jié)合了傳統(tǒng)DAC的優(yōu)點(diǎn)（如出色的滿量程性能、高信噪比和易用性）和卓越的低電平性能。

該架構(gòu)通過兩個(gè)互補(bǔ)的DAC組合產(chǎn)生極其線性的輸出。兩個(gè)DAC共享一個(gè)公共參考和一個(gè)用于位電流源的R - 2R梯形網(wǎng)絡(luò)，R - 2R梯形網(wǎng)絡(luò)采用雙平衡電流段，確保在所有條件下都能實(shí)現(xiàn)理想的跟蹤。通過交錯(cuò)每個(gè)DAC的各個(gè)位并對(duì)電阻進(jìn)行精密激光微調(diào)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)DAC之間的高度精確匹配。這種架構(gòu)避免了任何毛刺或大的線性誤差，并提供絕對(duì)電流輸出，使得PCM1704在關(guān)鍵的雙極性零點(diǎn)附近能夠?qū)崿F(xiàn)真正的24位分辨率。

三、關(guān)鍵規(guī)格討論

1. 總諧波失真加噪聲（THD+N）

這是PCM1704的關(guān)鍵規(guī)格之一。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)字以標(biāo)準(zhǔn)DVD音頻采樣頻率96kHz的8倍（即768kHz）讀入PCM1704，以產(chǎn)生1100Hz的正弦波輸出。DAC的輸出經(jīng)過模擬信號(hào)調(diào)理電路后輸入到失真分析儀進(jìn)行測(cè)試。在音頻帶寬內(nèi)，PCM1704的THD+N對(duì)于所有頻率基本保持平坦。

2. 動(dòng)態(tài)范圍

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的動(dòng)態(tài)范圍定義為在有效輸出信號(hào)電平為 - 60dBFS時(shí)的THD+N測(cè)量值（符合EIAJ方法并應(yīng)用A加權(quán)）。PCM1704的符號(hào)幅度架構(gòu)在雙極性零點(diǎn)附近具有理想的性能，提供了比其他先前可用的D/A轉(zhuǎn)換器更實(shí)用的動(dòng)態(tài)范圍。

3. 空閑通道信噪比（SNR）

這是數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要規(guī)格，是指雙極性零點(diǎn)時(shí)DAC輸出的噪聲與D/A轉(zhuǎn)換器滿量程范圍的比值。在測(cè)量時(shí)，數(shù)字輸入持續(xù)輸入雙極性零點(diǎn)的代碼，同時(shí)對(duì)DAC的輸出進(jìn)行20Hz至20kHz的帶寬限制并應(yīng)用A加權(quán)。PCM1704的理想通道SNR通常大于120dB，非常適合低噪聲應(yīng)用。

4. 偏移增益和溫度漂移

雖然PCM1704主要應(yīng)用于高性能數(shù)字音頻系統(tǒng)，但也給出了一些傳統(tǒng)的直流參數(shù)規(guī)格，如增益誤差、雙極性零偏移、溫度增益和偏移漂移等。這些規(guī)格在測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中非常重要。

四、音頻數(shù)據(jù)接口

1. 基本操作

PCM1704的音頻接口接受TTL兼容的輸入電平，數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼，MSB在串行輸入位流中首先傳輸。音頻數(shù)據(jù)通過DATA引腳輸入，位時(shí)鐘BCLK用于將數(shù)據(jù)移入PCM1704，所有DAC串行輸入數(shù)據(jù)位在BCLK的上升沿鎖存到串行輸入寄存器中。串行到并行的數(shù)據(jù)傳輸在WCLK的下降沿發(fā)生，DAC輸出的變化在WCLK下降沿后的第二個(gè)BCLK上升沿發(fā)生。

2. 最大位時(shí)鐘（BCLK）速率

最大BCLK速率為25MHz，這是由PCM1704的8倍過采樣得出的。在96kHz采樣率、8倍過采樣輸入和32位幀長度的情況下，計(jì)算得到的BCLK速率為24.576MHz。

3. “停止時(shí)鐘”操作

PCM1704通常在連續(xù)的BCLK輸入下工作。如果在輸入數(shù)據(jù)字之間停止BCLK，最后移入的24位數(shù)據(jù)不會(huì)實(shí)際從串行寄存器傳輸?shù)讲⑿蠨AC寄存器，直到WCLK變?yōu)榈碗娖健CLK必須保持低電平，直到下一個(gè)數(shù)據(jù)字的第一個(gè)BCLK周期之后，以確保DAC正常工作。同時(shí)，必須遵守DATA和WCLK的指定建立和保持時(shí)間。

4. 數(shù)據(jù)格式控制

• 輸入字長：通過20BIT引腳選擇輸入數(shù)據(jù)長度，默認(rèn)情況下為24位數(shù)據(jù)。
• 輸入數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)：通過INVERT引腳選擇輸入數(shù)據(jù)的相位，默認(rèn)情況下為正常（非反轉(zhuǎn)）數(shù)據(jù)。

五、應(yīng)用信息

1. 電源供應(yīng)

PCM1704僅需±5V電源供電。正電源（ (+V{DD}) 和 (+V{CC}) ）應(yīng)在一點(diǎn)連接并連接到單個(gè)+5V模擬電源，負(fù)電源（ (-V{DD}) 和 (-V{CC}) ）同樣應(yīng)在一點(diǎn)連接并連接到單個(gè) - 5V模擬電源。使用單獨(dú)的模擬和數(shù)字電源并沒有優(yōu)勢(shì)，更重要的是確保驅(qū)動(dòng)這些引腳的模擬電源盡可能無噪聲和紋波，以減少電源噪聲對(duì)輸出的耦合。每個(gè)電源引腳應(yīng)使用電源去耦電容，以最大限度地提高電源抑制能力。所有接地引腳（AGND和DGND）應(yīng)盡可能靠近PCM1704連接到模擬接地平面。

2. 旁路和去耦電容要求

可以使用各種尺寸的去耦電容，無需特殊公差。建議使用鋁電解電容用于較大值，金屬膜或單片陶瓷電容用于較小值。所有電容應(yīng)盡可能靠近PCM1704的相應(yīng)引腳，以減少周圍電路的噪聲拾取。

3. 典型應(yīng)用

在立體聲音頻應(yīng)用中，音頻數(shù)據(jù)輸入到數(shù)字濾波器，經(jīng)過8倍過采樣和數(shù)字濾波后輸出到PCM1704 DAC。對(duì)于單通道應(yīng)用，PCM1704與數(shù)字濾波器、I/V轉(zhuǎn)換器和DAC后置濾波器連接。選擇合適的運(yùn)算放大器對(duì)于I/V轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，推薦使用OPA627。DAC后置濾波器建議使用二階低通有源濾波器，采用多反饋（MFB）電路技術(shù)，OPA2134是該電路中運(yùn)算放大器的理想選擇，用于重建和限制DAC輸出信號(hào)的帶寬。

六、總結(jié)

PCM1704以其卓越的性能和靈活的設(shè)計(jì)，為高端音頻和波形合成應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇電源、去耦電容和運(yùn)算放大器等外圍元件，以充分發(fā)揮PCM1704的優(yōu)勢(shì)。你在使用PCM1704的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。