DS90UA101-Q1：汽車(chē)級(jí)多通道數(shù)字音頻鏈路的理想之選

作為一名電子工程師，在硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的道路上，我們總是在不斷尋找能提升性能、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。最近，我深入研究了德州儀器（TI）的DS90UA101-Q1多通道數(shù)字音頻鏈路，發(fā)現(xiàn)它在汽車(chē)音頻系統(tǒng)等領(lǐng)域有著出色的表現(xiàn)，下面就和大家分享一下我的研究心得。

文件下載：ds90ua101-q1.pdf

特性與概述

DS90UA101-Q1是一款滿足汽車(chē)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（AEC - Q100 Grade 2）的數(shù)字音頻串行器，其工作溫度范圍為-40°C至105°C，能適應(yīng)復(fù)雜的汽車(chē)環(huán)境。它具備眾多令人矚目的特性：

1. 靈活的音頻輸入：支持I2S（立體聲）或TDM（多通道）格式的數(shù)字音頻輸入，可滿足不同音頻系統(tǒng)的需求。
2. 高速串行輸出：通過(guò)同軸或單差分對(duì)互連，實(shí)現(xiàn)高速串行輸出接口，傳輸效率高。
3. 極低延遲：延遲小于15μs，確保音頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。
4. 雙向控制接口：帶有與I2C兼容的串行控制總線，方便進(jìn)行設(shè)備配置和通信。
5. 多通道支持：最多支持8個(gè)立體聲I2S或TDM音頻輸入。
6. 寬時(shí)鐘范圍：支持10MHz至50MHz的音頻系統(tǒng)時(shí)鐘。
7. 單電源供電：采用單1.8V電源供電，簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)。
8. 靈活的I/O接口：I/O接口支持1.8V或3.3V，可根據(jù)系統(tǒng)需求靈活配置。
9. 長(zhǎng)距離傳輸：支持AC耦合的STP或同軸電纜，傳輸距離可達(dá)15m。
10. 數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)采用直流平衡和加擾處理，并嵌入時(shí)鐘，提高了信號(hào)質(zhì)量和抗干擾能力。

引腳功能詳解

DS90UA101-Q1的引腳功能豐富多樣，不同的引腳承擔(dān)著不同的任務(wù)，下面為大家逐一介紹：

數(shù)字音頻接口

• SCK（3腳）：系統(tǒng)時(shí)鐘輸入，前向通道音頻數(shù)據(jù)由此引腳提供時(shí)鐘。
• LRCK（2腳）：字時(shí)鐘輸入。
• BCK（1腳）：位時(shí)鐘輸入。
• DIN[7:0]（23、24、26、27、29、30、31、32腳）：數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸入，每個(gè)輸入可以是I2S、TDM等格式。

LVCMOS并行接口

• GPI[3:0]（19、20、21、22腳）：通用輸入。
• GPO[3:0]（15、16、17、18腳）：通用輸出。

控制與配置

• SCL（4腳）：I2C時(shí)鐘線，需外部上拉至VDDIo。
• SDA（5腳）：I2C數(shù)據(jù)輸入/輸出線，同樣需外部上拉至VDDIo。
• IDx（6腳）：用于設(shè)置設(shè)備的I2C地址。
• SET（8腳）：設(shè)備設(shè)置引腳，需連接外部上拉和下拉電阻。

電源與接地

• VDDPLL（10腳）：1.8V（±5%）PLL電源。
• VDDT（11腳）：1.8V（±5%）模擬核心電源。
• VDDCML（14腳）：1.8V（±5%）CML驅(qū)動(dòng)電源。
• VDDIO（25腳）：LVCMOS I/O電源，可選擇1.8V（±5%）或3.3V（±10%）。
• VDDD（28腳）：1.8V（±5%）數(shù)字電源。
• GND（DAP）：位于LLP封裝底部中心的大金屬觸點(diǎn)，需通過(guò)至少9個(gè)過(guò)孔連接到地平面。

其他引腳

• RESO（7腳）：保留引腳，需連接到地。

串行接口

• DOUT+（13腳）：真串行接口輸出，需通過(guò)0.1μF電容進(jìn)行交流耦合。
• DOUT -（12腳）：反相串行接口輸出，同樣需通過(guò)0.1μF電容進(jìn)行交流耦合。

電氣特性與性能指標(biāo)

絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。DS90UA101-Q1的絕對(duì)最大額定值包括：

• 電源電壓：VDDn（1.8V）為 - 0.3V至 + 2.5V，VDDIO為 - 0.3V至 + 4.0V。
• LVCMOS I/O電壓： - 0.3V至 +（VDDIO + 0.3V）。
• CML驅(qū)動(dòng)I/O電壓： - 0.3V至 +（VDDCML + 0.3V）。
• 結(jié)溫： + 150°C。
• 存儲(chǔ)溫度： - 65°C至 + 150°C。

推薦工作條件

在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證器件性能的穩(wěn)定性，我們需要遵循推薦工作條件。DS90UA101-Q1的推薦工作條件如下：

• 電源電壓：VDDn為1.71V至1.89V，LVCMOS電源電壓（VDDIO）可選擇1.71V至1.89V或3.0V至3.6V。
• 電源噪聲：VDDn（1.8V）和VDDIO（1.8V）的電源噪聲為25mVp - p，VDDIO（3.3V）的電源噪聲為50mVp - p。
• 工作溫度： - 40°C至 + 105°C。
• SCK時(shí)鐘頻率：STP電纜為10MHz至50MHz，同軸電纜為25MHz至50MHz。

電氣特性參數(shù)

文檔中還詳細(xì)列出了各種電氣特性參數(shù)，如LVCMOS直流規(guī)格、CML驅(qū)動(dòng)直流規(guī)格、電源電流等。例如，LVCMOS輸入的高電平輸入電壓（VIH）和低電平輸入電壓（VIL）在不同的電源電壓下有不同的取值范圍；CML驅(qū)動(dòng)輸出的差分電壓（IVool）典型值為340mV等。這些參數(shù)為我們進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供了重要依據(jù)。

功能描述與應(yīng)用

芯片組功能

DS90UA101-Q1通常與DS90UA102-Q1解串器配合使用，構(gòu)成完整的數(shù)字音頻傳輸解決方案。該芯片組可將數(shù)字音頻源與遠(yuǎn)程音頻轉(zhuǎn)換器和DSP連接起來(lái)，支持10MHz至50MHz的參考時(shí)鐘。DS90UA101-Q1將最多8個(gè)音頻輸入、4個(gè)通用輸入以及雙向控制通道數(shù)據(jù)串行化到單個(gè)高速差分對(duì)或單端同軸電纜上，而DS90UA102-Q1則將接收到的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字音頻輸出、控制通道數(shù)據(jù)和通用輸出。

控制通道功能

芯片組的雙向控制通道功能實(shí)現(xiàn)了鏈路兩端設(shè)備之間的雙向通信，例如數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）之間的通信。通過(guò)I2C端口，可對(duì)雙向控制通道總線進(jìn)行控制，無(wú)需額外的編程和控制線，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

傳輸媒體

DS90UA101-Q1/DS90UA102-Q1芯片組適用于通過(guò)屏蔽雙絞線（STP）或同軸電纜的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路。串行器和解串器提供內(nèi)部終端，以最小化阻抗不連續(xù)性。電纜和連接器的差分阻抗應(yīng)為100Ω，單端阻抗應(yīng)為50Ω。電纜的最大長(zhǎng)度取決于電纜質(zhì)量、連接器、電路板和電氣環(huán)境等因素。

音頻系統(tǒng)時(shí)鐘操作

芯片組以數(shù)字音頻源的音頻系統(tǒng)時(shí)鐘（SCK）作為參考時(shí)鐘進(jìn)行操作。音頻數(shù)據(jù)、LRCK和BCK輸入通過(guò)SCK時(shí)鐘進(jìn)入串行器，同時(shí)最多4個(gè)GPI輸入也會(huì)被采樣并與數(shù)字音頻輸入一起傳輸。當(dāng)SCK空閑或缺失時(shí)，串行器會(huì)切換到內(nèi)部參考時(shí)鐘，其頻率可通過(guò)設(shè)備控制寄存器進(jìn)行選擇。

串行幀格式與音頻格式

• 串行幀格式：高速前向通道由28位數(shù)據(jù)組成，包含數(shù)字音頻數(shù)據(jù)、同步信號(hào)、I2C和奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)隨機(jī)化、平衡和加擾處理，以?xún)?yōu)化在交流耦合鏈路上的信號(hào)傳輸。雙向控制通道數(shù)據(jù)與高速前向數(shù)據(jù)一起在單條串行鏈路上傳輸，提供了全雙工、低速控制路徑。
• 音頻格式：支持多種串行音頻格式，如I2S格式、左對(duì)齊格式、右對(duì)齊格式和TDM格式。不同的音頻格式在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序和對(duì)齊方式上有所不同，我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

錯(cuò)誤檢測(cè)與I2C功能

• 錯(cuò)誤檢測(cè)：芯片組提供錯(cuò)誤檢測(cè)功能，可對(duì)雙向控制通道數(shù)據(jù)和并行音頻/同步數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。前向通道使用1位奇偶校驗(yàn)位，后向通道使用4位CRC位進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)。檢測(cè)到的錯(cuò)誤數(shù)量會(huì)分別存儲(chǔ)在串行器和解串器的兩個(gè)8位寄存器中。
• I2C功能：I2C兼容接口允許通過(guò)雙向控制通道對(duì)串行器、解串器或外部遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行編程。I2C總線數(shù)據(jù)速率支持高達(dá)400kbps的快速模式，通過(guò)SCL和SDA線進(jìn)行寄存器編程事務(wù)。

I2C相關(guān)特性

• IDx地址解碼器：串行器上的IDx引腳用于解碼和設(shè)置I2C地址，通過(guò)連接不同的電阻值可設(shè)置6種可能的I2C地址。
• I2C透?jìng)?/strong>：I2C透?jìng)鞴δ茉试S訪問(wèn)串行接口另一端的遠(yuǎn)程設(shè)備。通過(guò)配置相關(guān)寄存器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程串行器、解串器或遠(yuǎn)程從設(shè)備的訪問(wèn)。
• 多設(shè)備尋址：為了支持在同一I2C總線上訪問(wèn)具有相同固定地址的多個(gè)設(shè)備，芯片組提供了從設(shè)備ID別名功能。通過(guò)編程從設(shè)備別名ID寄存器，可獨(dú)立尋址具有相同I2C地址的從設(shè)備。
• 從設(shè)備時(shí)鐘拉伸：為了與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行通信和同步，芯片組在數(shù)據(jù)傳輸期間利用總線時(shí)鐘拉伸（將SCL線拉低）。I2C主設(shè)備必須支持從設(shè)備時(shí)鐘拉伸才能與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行通信。