德州儀器PCM270xC系列立體聲音頻DAC：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在音頻設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能出色的數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）至關(guān)重要。德州儀器（TI）的PCM270xC系列，包括PCM2704C、PCM2705C、PCM2706C和PCM2707C，就是這樣一組值得關(guān)注的立體聲音頻DAC，它們具備USB接口、單端耳機(jī)輸出和S/PDIF輸出等功能，為音頻設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多便利。

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特性亮點(diǎn)

集成USB接口

PCM270xC系列采用片上USB接口，無(wú)需專用設(shè)備驅(qū)動(dòng)，支持全速收發(fā)器，完全符合USB 2.0規(guī)范，同時(shí)具備USB 1.1描述符并支持USB音頻類。該接口還通過(guò)了USB - IF認(rèn)證，部分描述符可進(jìn)行編程，采用自適應(yīng)等時(shí)傳輸進(jìn)行播放，支持總線供電或自供電操作。這使得設(shè)備在與USB設(shè)備連接時(shí)更加便捷，兼容性也大大增強(qiáng)。

靈活的采樣率和時(shí)鐘源

支持32 kHz、44.1 kHz和48 kHz的采樣率，片上時(shí)鐘發(fā)生器只需一個(gè)12 - MHz的時(shí)鐘源，為音頻數(shù)據(jù)的處理提供了穩(wěn)定的時(shí)鐘基礎(chǔ)。無(wú)論是何種音頻格式，都能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和處理。

出色的模擬性能

采用16位Delta - Sigma立體聲DAC，在5 V（總線供電）和3.3 V（自供電）的情況下都有良好的表現(xiàn)?？傊C波失真加噪聲（THD + N）低至0.006%（(R_{L}>10 k Omega)，自供電），信噪比（SNR）高達(dá)98 dB，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到98 dB，能有效還原音頻信號(hào)，減少失真和噪聲干擾。同時(shí)，還具備過(guò)采樣數(shù)字濾波器，通帶紋波為±0.04 dB，阻帶衰減為 - 50 dB，進(jìn)一步提升了音頻質(zhì)量。

多功能設(shè)計(jì)

提供多達(dá)八個(gè)HID接口（具體取決于型號(hào)和設(shè)置），支持暫停標(biāo)志、帶SCMS的S/PDIF輸出、外部ROM接口（PCM2704C/6C）、串行編程接口（PCM2705C/7C）以及I2S接口（PCM2706C/7C可選）。這些豐富的功能使得PCM270xC系列能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足多樣化的設(shè)計(jì)需求。

應(yīng)用場(chǎng)景

USB音頻設(shè)備

如USB耳機(jī)、USB音頻揚(yáng)聲器、USB CRT/LCD顯示器和USB音頻接口盒等。其USB接口的便利性使得這些設(shè)備能夠直接與計(jì)算機(jī)或其他USB主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)音頻的播放和傳輸。

USB特色消費(fèi)音頻產(chǎn)品

在一些具有USB功能的消費(fèi)音頻產(chǎn)品中，PCM270xC系列可以提供高質(zhì)量的音頻轉(zhuǎn)換和輸出，提升產(chǎn)品的音頻性能。

詳細(xì)描述

功能概述

PCM2704C/5C/6C/7C是單芯片USB立體聲音頻DAC，具備USB 2.0兼容的全速協(xié)議控制器和S/PDIF。USB協(xié)議控制器無(wú)需軟件代碼，但部分USB描述符可通過(guò)外部ROM（PCM2704C和PCM2706C）或串行外設(shè)接口（SPI）（PCM2705C和PCM2707C）進(jìn)行修改。同時(shí)，采用了TI獨(dú)特的SpAct?架構(gòu)，能夠從USB數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)中恢復(fù)音頻時(shí)鐘，片上模擬鎖相環(huán)（PLL）配合SpAct實(shí)現(xiàn)低時(shí)鐘抖動(dòng)的播放。

功能框圖

從功能框圖可以看出，該系列芯片包含電源管理、USB協(xié)議控制、DAC、S/PDIF編碼器等模塊。電源管理模塊負(fù)責(zé)將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，為芯片提供穩(wěn)定的電源；USB協(xié)議控制器處理USB數(shù)據(jù)的傳輸和控制；DAC將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)耳機(jī)放大器輸出；S/PDIF編碼器將音頻數(shù)據(jù)編碼為S/PDIF格式輸出。

特性描述

時(shí)鐘和復(fù)位

芯片需要一個(gè)12 - MHz（±500 ppm）的時(shí)鐘，可以由板載振蕩器使用12 - MHz晶體諧振器產(chǎn)生，也可以由外部時(shí)鐘提供。同時(shí)，具備內(nèi)部上電復(fù)位電路，當(dāng)(V_{DD})超過(guò)2 - V典型值（1.6至2.4 V）時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位操作。

操作模式選擇

通過(guò)PSEL引腳選擇電源配置，可設(shè)置為總線供電或自供電模式；HOST引腳在總線供電模式下配置最大電流消耗，在自供電模式下可作為主機(jī)檢測(cè)器。PCM2706C/7C還可以通過(guò)FSEL引腳選擇功能，如I2S接口或S/PDIF輸出。

DAC

采用過(guò)采樣技術(shù)和二階多位噪聲整形，有效降低音頻帶內(nèi)的量化噪聲，內(nèi)置的模擬低通濾波器可去除噪聲整形信號(hào)的高頻成分。DAC模擬輸出能夠提供12 mW（(R{L}=32 Omega)）的功率，以及(1.8 ~V{PP})（(R_{L}=10 k Omega)）的輸出電壓。

數(shù)字音頻接口

支持S/PDIF輸出，遵循IEC - 60958標(biāo)準(zhǔn)，將主機(jī)的等時(shí)輸出數(shù)據(jù)編碼為S/PDIF格式輸出。PCM2706C和PCM2707C還支持I2S接口，通過(guò)FSEL引腳啟用，可提供16位I2S格式的數(shù)字輸出/輸入數(shù)據(jù)。

描述符數(shù)據(jù)修改

描述符數(shù)據(jù)可通過(guò)外部ROM（PCM2704C/6C）或SPI主機(jī)（PCM2705C/7C）進(jìn)行修改，但需要特定的PSEL和HOST引腳配置。在修改描述符數(shù)據(jù)時(shí)，要注意D + 引腳上拉電阻的激活時(shí)間，以及數(shù)據(jù)的傳輸格式和字節(jié)順序。

編程

USB接口

控制數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)通過(guò)D + 和D - 引腳以全速傳輸。設(shè)備描述符、配置描述符和字符串描述符的部分內(nèi)容可通過(guò)外部ROM或SPI進(jìn)行修改。

接口配置

接口0為控制接口，描述標(biāo)準(zhǔn)音頻控制接口，包含輸入終端、輸出終端和特征單元；接口1為音頻流數(shù)據(jù)輸出接口，有多種可選配置；接口2為HID接口，可報(bào)告多個(gè)按鍵狀態(tài)。

端點(diǎn)

芯片具有三個(gè)端點(diǎn)：控制端點(diǎn)、等時(shí)輸出音頻數(shù)據(jù)流端點(diǎn)和HID端點(diǎn)?？刂贫它c(diǎn)負(fù)責(zé)控制芯片的所有功能；等時(shí)輸出音頻數(shù)據(jù)流端點(diǎn)接收PCM音頻數(shù)據(jù)；HID端點(diǎn)每10 ms報(bào)告一次HID狀態(tài)。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

典型應(yīng)用

USB揚(yáng)聲器

以一個(gè)內(nèi)部描述符、總線供電、500 - mA的應(yīng)用為例，電路連接相對(duì)簡(jiǎn)單。只需將芯片直接連接到USB端口，配合外部ROM進(jìn)行描述符編程，同時(shí)注意HID端口開(kāi)關(guān)的連接方式和輸出濾波器的放置。

遠(yuǎn)程耳機(jī)

對(duì)于總線供電、100 - mA的耳機(jī)應(yīng)用，同樣要注意電源和描述符編程的設(shè)置，同時(shí)利用芯片的多個(gè)HID接口實(shí)現(xiàn)更多功能。

DSP環(huán)繞處理放大器

在自供電且支持I2S和SPI的應(yīng)用中，要確保電源的穩(wěn)定性和SPI通信的正確性，同時(shí)合理配置芯片的各個(gè)引腳。

電源供應(yīng)

芯片在自供電模式下需要3 V至3.6 V的電壓源，建議在每個(gè)電壓源引腳附近放置去耦電容，以過(guò)濾低頻電源噪聲。

布局設(shè)計(jì)

去耦電容應(yīng)盡量靠近芯片引腳，可參考示例布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于芯片為低功耗設(shè)備，無(wú)需特殊的散熱PCB設(shè)計(jì)。

總結(jié)

德州儀器的PCM270xC系列立體聲音頻DAC以其豐富的功能、出色的性能和靈活的設(shè)計(jì)，為音頻設(shè)備設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是在USB音頻設(shè)備還是消費(fèi)音頻產(chǎn)品中，都能發(fā)揮重要作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，電子工程師需要充分了解芯片的特性和應(yīng)用要求，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局，以實(shí)現(xiàn)最佳的音頻效果。大家在使用PCM270xC系列芯片時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)一些特別的問(wèn)題或者有獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。