探索PCM182x：高性能音頻ADC的卓越之選

在音頻處理領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是至關(guān)重要的一環(huán)，它直接影響著音頻信號(hào)的質(zhì)量和處理效果。德州儀器（TI）的PCM182x系列，包括PCM1820和PCM1821，作為高性能的音頻模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），為音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新的可能性。

文件下載：pcm1820.pdf

1. 產(chǎn)品概述

PCM182x是一款立體聲、32位、采樣率高達(dá)192kHz的音頻ADC。它支持同時(shí)對(duì)兩個(gè)模擬通道進(jìn)行采樣，可處理來自差分線路和麥克風(fēng)的輸入信號(hào)，滿量程信號(hào)為2 - V RMS，適用于對(duì)音頻質(zhì)量和性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

2. 核心特性亮點(diǎn)

2.1 高轉(zhuǎn)換性能

• 動(dòng)態(tài)范圍出色：PCM1820在啟用動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)器（DRE）時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)123 dB；禁用時(shí)為113 dB。PCM1821的動(dòng)態(tài)范圍為106 dB。這使得設(shè)備能夠在不同的音頻環(huán)境下，精準(zhǔn)地捕捉微弱信號(hào)和大動(dòng)態(tài)音頻，保證了音頻的高保真度。
• 低失真度：總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 - 95 dB，有效減少了音頻信號(hào)中的失真和噪聲干擾，還原出純凈的原始音頻。

2.2 靈活的配置選項(xiàng)

• 硬件引腳控制：通過硬件引腳控制（MSZ、MD0、MD1、FMT0），可以方便地選擇設(shè)備的工作模式和音頻接口，如主從模式、音頻格式（TDM或I2S）等，滿足多樣化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。
• 濾波模式選擇：支持線性相位或低延遲濾波選擇，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)頻率響應(yīng)、群延遲和相位線性度的要求進(jìn)行靈活配置。

2.3 接口與時(shí)鐘優(yōu)勢(shì)

• 音頻串行接口：具備靈活的音頻串行數(shù)據(jù)接口，支持主從模式選擇，可實(shí)現(xiàn)32位、2通道的TDM或I2S傳輸，方便與各種主機(jī)處理器進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。
• 集成PLL：內(nèi)置高性能音頻鎖相環(huán)（PLL），支持多種輸出數(shù)據(jù)采樣率和BCLK到FSYNC的比率配置，無(wú)需主機(jī)編程即可自動(dòng)完成時(shí)鐘分頻和PLL配置，確保了穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)和準(zhǔn)確的采樣頻率。

2.4 低功耗與單電源設(shè)計(jì)

• 功耗低：采用單電源3.3 V供電，并且具有自動(dòng)掉電功能，當(dāng)音頻時(shí)鐘丟失時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，降低了整體功耗。例如，在3.3 - V AVDD供電下，16 - kHz采樣率時(shí)每通道功耗為19.6 mW，48 - kHz采樣率時(shí)為21.3 mW。
• I/O電源靈活：I/O電源支持3.3 V或1.8 V操作，增加了與不同系統(tǒng)的兼容性。

3. 產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域

PCM182x的高性能和靈活性使其在眾多音頻應(yīng)用中得到廣泛使用：

• 智能音箱：能夠準(zhǔn)確地捕捉用戶的語(yǔ)音指令，實(shí)現(xiàn)高保真的音頻錄制和播放，提升用戶體驗(yàn)。
• DVD錄制與播放設(shè)備：保證了音頻信號(hào)的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換，為用戶帶來清晰、逼真的音軌效果。
• AV接收器：實(shí)現(xiàn)多聲道音頻的高質(zhì)量處理和傳輸，打造沉浸式的家庭影院體驗(yàn)。
• 視頻會(huì)議系統(tǒng)：清晰準(zhǔn)確地采集和傳輸語(yǔ)音信號(hào)，確保遠(yuǎn)程溝通的質(zhì)量。
• IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)：在監(jiān)控過程中，同步錄制高質(zhì)量的音頻，提供更全面的監(jiān)控信息。

4. 技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

4.1 引腳功能與配置

PCM182x采用20引腳的WQFN封裝，各引腳具有特定的功能。例如，INxP和INxM為模擬輸入引腳，用于連接麥克風(fēng)或線路輸入；SDOUT為數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸出引腳；BCLK和FSYNC分別為音頻串行數(shù)據(jù)接口的位時(shí)鐘和幀同步信號(hào)。通過對(duì)這些引腳的合理配置，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各種功能模式。

4.2 音頻接口協(xié)議

• TDM接口：在TDM模式下，F(xiàn)SYNC的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，從槽0數(shù)據(jù)開始，依次傳輸其余槽的數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)位（除槽0的MSB在特定條件下）在BCLK的上升沿傳輸。
• I2S接口：I2S模式遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，左右聲道的MSB分別在FSYNC的特定邊沿觸發(fā)后，在BCLK的下降沿傳輸后續(xù)數(shù)據(jù)。

4.3 時(shí)鐘與鎖相環(huán)

• 在從模式下，設(shè)備根據(jù)支持的FSYNC和BCLK頻率，自動(dòng)配置內(nèi)部時(shí)鐘分頻器和PLL，確保穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。
• 主模式下，使用MD1引腳作為系統(tǒng)時(shí)鐘參考輸入，通過MD0引腳選擇系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為256 × fS或512 × fS。

4.4 輸入通道與信號(hào)處理

• 設(shè)備具有兩對(duì)差分模擬輸入引腳，支持同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行錄音。輸入信號(hào)應(yīng)采用交流耦合方式，并且為了獲得最佳的失真性能，建議使用低電壓系數(shù)的電容進(jìn)行交流耦合。
• 信號(hào)處理鏈包括前端動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)器（DRE）、低噪聲放大器、多比特ΔΣ ADC和數(shù)字抽取濾波器。DRE可自動(dòng)調(diào)整內(nèi)部放大器增益，提高整體通道的動(dòng)態(tài)范圍和性能；數(shù)字抽取濾波器可根據(jù)需要選擇線性相位或低延遲濾波器，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4.5 參考電壓與濾波器

• 內(nèi)部通過帶隙電路生成低噪聲參考電壓，VREF引腳需連接至少1 - μF的電容到模擬地進(jìn)行濾波，VREF值為2.75 V，支持2 - V RMS的差分滿量程輸入。
• 設(shè)備內(nèi)置固定的高通濾波器（HPF），可去除輸入信號(hào)中的直流偏移分量和低頻噪聲，其 - 3 dB截止頻率為0.00025 × fS。

5. 設(shè)計(jì)與應(yīng)用建議

5.1 電源供應(yīng)

• 電源供應(yīng)順序可以是IOVDD和AVDD任意順序，但必須在電源電壓穩(wěn)定到支持的工作電壓范圍后再提供時(shí)鐘信號(hào)。
• 電源上升和下降時(shí)間有一定要求，t1和t2至少為100 μs（上電），t3和t4至少為10 ms（下電），且電源斜坡速率應(yīng)慢于1 V/μs，兩次電源操作之間的等待時(shí)間至少為100 ms。

5.2 布局設(shè)計(jì)

• 熱管理：將散熱墊連接到地，并使用過孔圖案將其與接地平面連接，有助于散熱。
• 去耦電容：電源去耦電容應(yīng)靠近設(shè)備引腳放置，以減少電源噪聲。
• 信號(hào)布線：模擬差分音頻信號(hào)應(yīng)在PCB上進(jìn)行差分布線，避免與數(shù)字信號(hào)交叉，防止串?dāng)_。同時(shí)，VREF外部電容的接地端應(yīng)直接連接到AVSS引腳，不使用過孔。
• 接地處理：使用接地平面為電源和信號(hào)電流提供低阻抗路徑，將設(shè)備下方區(qū)域作為中央接地區(qū)域，所有設(shè)備接地都應(yīng)直接連接到該區(qū)域。

5.3 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

在典型應(yīng)用中，如使用立體聲模擬MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行同時(shí)錄音操作時(shí)，需要注意輸入AC耦合電容的選擇，建議使用低電壓系數(shù)的電容以獲得最佳失真性能。同時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求正確配置硬件控制引腳（MSZ、FMT0、MD0、MD1），并提供合適的FSYNC和BCLK時(shí)鐘信號(hào)。

6. 總結(jié)

PCM182x系列音頻ADC憑借其出色的性能、靈活的配置選項(xiàng)和低功耗設(shè)計(jì)，為音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。無(wú)論是在消費(fèi)電子、專業(yè)音頻設(shè)備還是工業(yè)應(yīng)用中，都能夠滿足對(duì)高質(zhì)量音頻處理的需求。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)音頻相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，PCM182x無(wú)疑是一個(gè)值得考慮的優(yōu)秀選擇。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似高性能ADC的使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。