深入剖析PCM1780/81/82：高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的卓越之選

引言

在當(dāng)今數(shù)字化音頻飛速發(fā)展的時(shí)代，高質(zhì)量的音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）對(duì)于音頻系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。德州儀器（TI）的PCM1780、PCM1781和PCM1782系列24位、192-kHz采樣的音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以其卓越的性能和豐富的功能，在音頻領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。今天，我們就來(lái)深入剖析這一系列產(chǎn)品，了解其特點(diǎn)、性能以及應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

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產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

高精度與高性能

PCM1780/81/82具備24位的高分辨率，能夠提供極其精準(zhǔn)的音頻轉(zhuǎn)換。在模擬性能方面，當(dāng) (V_{CC}=5V) 時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)106 dB，信噪比（SNR）典型值為106 dB，總諧波失真加噪聲（THD+N）典型值僅為0.002%，滿(mǎn)量程輸出典型值為3.9 Vp-p。這些出色的數(shù)據(jù)使得音頻信號(hào)能夠以極高的質(zhì)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，還原出最真實(shí)的聲音。

靈活的數(shù)字濾波器

產(chǎn)品擁有4×/8×過(guò)采樣數(shù)字濾波器，其阻帶衰減可達(dá) - 50 dB，通帶紋波僅為 ±0.04 dB。這種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)不僅能夠有效濾除高頻噪聲，而且在不同的音頻場(chǎng)景下都能保證良好的頻率響應(yīng)，為音頻處理提供了更多的靈活性。

寬采樣頻率范圍

PCM1780/81/82支持5 kHz至200 kHz的采樣頻率，并且系統(tǒng)時(shí)鐘具備自動(dòng)檢測(cè)功能，支持128 (f{S})、192 (f{S})、256 (f{S})、384 (f{S})、512 (f{S})、768 (f{S})、1152 (f_{S}) 等多種時(shí)鐘頻率。這使得它能夠適應(yīng)各種不同的音頻源和應(yīng)用場(chǎng)景，滿(mǎn)足多樣化的設(shè)計(jì)需求。

豐富的控制功能

PCM1780和PCM1782支持軟件控制，能夠接受16 - 24位的音頻數(shù)據(jù)，支持右對(duì)齊、I2S和左對(duì)齊等多種數(shù)據(jù)格式。同時(shí)，還具備數(shù)字衰減、數(shù)字去加重、數(shù)字濾波器滾降選擇、軟靜音以及零標(biāo)志輸出等功能，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)音頻進(jìn)行精確的調(diào)整和控制。而PCM1781則支持硬件控制，提供數(shù)據(jù)格式選擇、去加重控制和靜音控制等基本功能，操作相對(duì)簡(jiǎn)單直接。

技術(shù)參數(shù)詳解

絕對(duì)最大額定值

了解產(chǎn)品的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠的運(yùn)行至關(guān)重要。PCM1780/81/82的電源電壓范圍為 - 0.3 V至6.5 V，輸入電壓范圍為 - 0.3 V至 (V_{CC}+0.3V) 且小于6.5 V，輸入電流（除電源引腳外）為 ±10 mA。環(huán)境溫度范圍在 - 40°C至125°C之間，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 55°C至150°C，結(jié)溫為150°C，焊接時(shí)的引腳溫度為260°C（持續(xù)5 s），封裝的紅外回流焊峰值溫度為260°C。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)，避免超出額定值導(dǎo)致設(shè)備損壞。

推薦工作條件

為了使PCM1780/81/82達(dá)到最佳的性能，推薦的數(shù)字和模擬電源電壓 (V_{cc}) 為4.5 - 5.5 V（典型值為5 V），數(shù)字輸入邏輯家族為T(mén)TL。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率范圍為8.192 - 36.864 MHz，采樣時(shí)鐘頻率范圍為32 - 192 kHz。模擬輸出負(fù)載電阻應(yīng)不小于5 kΩ，模擬輸出負(fù)載電容不超過(guò)50 pF，數(shù)字輸出負(fù)載電容不超過(guò)20 pF。工作的自由空氣溫度范圍為 - 25°C至85°C。

電氣特性

在電氣特性方面，PCM1780/81/82的音頻數(shù)據(jù)接口格式豐富多樣，PCM1780和PCM1782支持右對(duì)齊、I2S和左對(duì)齊，可選擇16 - 24位；PCM1781支持I2S和16位右對(duì)齊。采樣頻率范圍為5 - 200 kHz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率支持多種選擇。在動(dòng)態(tài)性能方面，不同的采樣頻率和輸出電壓下，THD+N、SNR和動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)都有明確的表現(xiàn)。例如，在 (V{OUT}=0dB)、(f{S}=48kHz) 時(shí)，THD+N典型值為0.002%，SNR典型值為106 dB。

引腳功能與連接

引腳分配與功能

PCM1780/82和PCM1781的引腳分配有所不同，但都涵蓋了系統(tǒng)時(shí)鐘輸入（SCK）、音頻數(shù)據(jù)輸入（DATA）、音頻數(shù)據(jù)位時(shí)鐘輸入（BCK）、音頻數(shù)據(jù)左右時(shí)鐘輸入（LRCK）等關(guān)鍵引腳。此外，還有用于模式控制、電源供應(yīng)、模擬輸出等功能的引腳。例如，PCM1780/82的MS、MC、MD引腳用于模式控制，而PCM1781的FMT、DEMP0、DEMP1、MUTE引腳則用于數(shù)據(jù)格式選擇、去加重控制和靜音控制等。

連接注意事項(xiàng)

在連接PCM1780/81/82時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)。首先，系統(tǒng)時(shí)鐘輸入（SCK）應(yīng)使用低相位抖動(dòng)和噪聲的時(shí)鐘源，以確保最佳性能。TI的PLL170x系列多時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。其次，音頻串行接口的LRCK和BCK應(yīng)與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，理想情況下應(yīng)從系統(tǒng)時(shí)鐘輸入（SCK）派生而來(lái)。此外，對(duì)于輸入引腳，如SCK、LRCK、BCK和DATA，建議使用22 Ω至100 Ω的串聯(lián)電阻，以減少高頻噪聲發(fā)射，抑制時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線(xiàn)上的毛刺和振鈴。

典型性能曲線(xiàn)分析

數(shù)字濾波器性能

從典型性能曲線(xiàn)可以看出，數(shù)字濾波器在不同的滾降模式下（尖銳和緩慢）具有不同的頻率響應(yīng)。尖銳滾降模式下，通帶紋波小，阻帶衰減大，能夠更好地濾除高頻噪聲；而緩慢滾降模式則在過(guò)渡帶具有更平滑的特性，適用于對(duì)過(guò)渡特性要求較高的應(yīng)用。

去加重濾波器性能

去加重濾波器在不同的采樣頻率下（如32 kHz、44.1 kHz、48 kHz等）的性能曲線(xiàn)顯示，其能夠有效補(bǔ)償音頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中的高頻損失，提高音頻的質(zhì)量。

模擬濾波器性能

模擬濾波器在不同頻率下的響應(yīng)曲線(xiàn)表明，它能夠幫助減少由于PCM1780/81/82的Δ - Σ D/A轉(zhuǎn)換器的噪聲整形特性而在DAC輸出端出現(xiàn)的帶外噪聲能量。但在許多應(yīng)用中，僅靠?jī)?nèi)部的模擬濾波器是不夠的，還需要外部低通濾波器來(lái)提供足夠的帶外噪聲抑制。

系統(tǒng)時(shí)鐘與復(fù)位功能

系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

PCM1780/81/82需要系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)操作數(shù)字插值濾波器和多級(jí)Δ - Σ調(diào)制器。系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)SCK輸入（引腳5）提供。對(duì)于常見(jiàn)的音頻采樣頻率，有多種系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可供選擇，如對(duì)于8 kHz的采樣頻率，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可以是1.024 MHz（128 (f{S})）、1.536 MHz（192 (f{S})）等。為了獲得最佳性能，應(yīng)使用低相位抖動(dòng)和噪聲的時(shí)鐘源。

上電復(fù)位功能

該產(chǎn)品具有上電復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘激活且 (V{CC}>3V)（典型值為2.2 V至3.7 V）時(shí)，上電復(fù)位功能啟用。從 (V{CC}>3V) 開(kāi)始，初始化序列需要3072個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。初始化完成后，PCM1780/82將設(shè)置為復(fù)位默認(rèn)狀態(tài)。

音頻數(shù)據(jù)格式與定時(shí)

音頻數(shù)據(jù)格式

PCM1780/82支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)據(jù)格式，包括右對(duì)齊、I2S和左對(duì)齊；PCM1781支持I2S和16位字右對(duì)齊。所有格式都要求二進(jìn)制補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式可以通過(guò)控制寄存器或引腳進(jìn)行選擇，默認(rèn)數(shù)據(jù)格式為24位左對(duì)齊。

定時(shí)要求

音頻串行接口的定時(shí)要求非常嚴(yán)格。LRCK和BCK應(yīng)與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，BCK可以以32、48或64倍的采樣頻率運(yùn)行。內(nèi)部操作與LRCK同步，當(dāng)采樣率時(shí)鐘（LRCK）改變或SCK和/或BCK中斷至少三個(gè)位時(shí)鐘周期時(shí)，設(shè)備的內(nèi)部操作將暫停。在恢復(fù)連續(xù)的SCK、BCK和LRCK后，內(nèi)部操作將在小于 (3 / f_{S}) 的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)重新同步，無(wú)需外部復(fù)位。

過(guò)采樣率控制與零標(biāo)志功能

過(guò)采樣率控制

PCM1780/81/82能夠根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率自動(dòng)控制Δ - Σ D/A轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣率。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為1152 (f{S})、768 (f{S}) 或512 (f{S}) 時(shí)，過(guò)采樣率設(shè)置為64×；當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為384 (f{S}) 或256 (f{S}) 時(shí)，過(guò)采樣率設(shè)置為32×；當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為192 (f{S}) 或128 (f_{S}) 時(shí)，過(guò)采樣率設(shè)置為16×。

零標(biāo)志功能

PCM1780/82的每個(gè)輸出通道都有獨(dú)立的零檢測(cè)功能。如果某個(gè)通道的數(shù)據(jù)在1024個(gè)采樣周期內(nèi)保持為0，則該通道的零標(biāo)志引腳（ZEROL或ZEROR）將設(shè)置為邏輯1狀態(tài)。這些零標(biāo)志引腳可以用于操作外部靜音電路或作為微控制器、音頻信號(hào)處理器等的狀態(tài)指示器。PCM1781的ZEROA引腳是L通道和R通道的公共零標(biāo)志引腳，當(dāng)L通道和R通道的數(shù)據(jù)在1024個(gè)采樣周期內(nèi)保持為0時(shí)，ZEROA將設(shè)置為邏輯1狀態(tài)。

軟件與硬件控制

軟件控制（PCM1780/82）

PCM1780/82通過(guò)三線(xiàn)串行控制端口提供了豐富的用戶(hù)可編程功能。通過(guò)編程內(nèi)部寄存器，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字衰減控制、軟靜音控制、過(guò)采樣率控制、軟復(fù)位控制等多種功能。例如，數(shù)字衰減控制可以將衰減水平從0 dB設(shè)置到 - 63 dB（0.5 dB/步）或 - 100 dB（1 dB/步）。

硬件控制（PCM1781）

PCM1781通過(guò)四個(gè)控制引腳提供了部分用戶(hù)可編程功能，包括數(shù)據(jù)格式選擇、去加重控制和靜音控制。用戶(hù)可以通過(guò)設(shè)置這些引腳的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

模擬輸出與應(yīng)用設(shè)計(jì)

模擬輸出特性

PCM1780/81/82包含兩個(gè)獨(dú)立的輸出通道（(V{OUT } L) 和 (V{OUT } R)），為不平衡輸出，每個(gè)通道能夠在5 kΩ的交流耦合負(fù)載上驅(qū)動(dòng)典型值為3.9 Vp-p的信號(hào)。內(nèi)部輸出放大器偏置到直流公共電壓（(0.5V_{CC})），并包含一個(gè)RC連續(xù)時(shí)間濾波器，用于減少帶外噪聲能量。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，需要注意電源供應(yīng)和接地。PCM1780/81/82需要5 V的電源供應(yīng)，并且需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫磁月?，推薦使用0.1 μF的陶瓷電容器和10 μF的電解電容器。此外，為了減少數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)模擬電路的影響，建議為數(shù)字和模擬部分分別提供獨(dú)立的電源供應(yīng)。如果必須使用公共的5 V電源，則應(yīng)在模擬和數(shù)字5 V電源連接之間放置電感（RF扼流圈、鐵氧體磁珠）。

在PCB布局方面，建議使用接地平面，并通過(guò)分割或切割電路板來(lái)隔離模擬和數(shù)字部分。PCM1780/81/82的數(shù)字I/O引腳應(yīng)朝向接地平面的分割/切割處，以實(shí)現(xiàn)與數(shù)字音頻接口和控制信號(hào)的短而直接的連接。

對(duì)于D/A輸出濾波器電路，由于Δ - Σ D/A轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生帶外噪聲，需要通過(guò)片上和外部低通濾波的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的轉(zhuǎn)換器性能。推薦的外部低通有源濾波器電路為二階巴特沃斯濾波器，采用多反饋（MFB）電路結(jié)構(gòu)，可減少無(wú)源元件在頻率和溫度變化時(shí)的靈敏度。

總結(jié)

PCM1780/81/82是一款性能卓越、功能豐富的音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，適用于各種對(duì)音頻質(zhì)量要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電子工程師需要充分了解其特性、參數(shù)、引腳功能和應(yīng)用要點(diǎn)，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和PCB布局，以確保設(shè)備能夠發(fā)揮出最佳性能。同時(shí)，要嚴(yán)格遵守產(chǎn)品的絕對(duì)最大額定值和推薦工作條件，避免因不當(dāng)使用而導(dǎo)致設(shè)備損壞。希望本文能夠?yàn)閺V大電子工程師在使用PCM1780/81/82進(jìn)行音頻設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到任何問(wèn)題，歡迎在評(píng)論區(qū)交流討論。