24位Δ-Σ結構音頻AD轉換器CS5361的性能特點及應用分析

1 CS5361的主要特性

CS5361是CRYSTAL公司推出的114dB?192kHz數據輸出率的24位Δ-Σ結構音頻 AD 轉換器，其主要特性如下：

●采用多位Δ-Σ結構;

●具有24位轉換精度;

●114 dB動態范圍;

●總諧波失真+噪聲優于-105 dB;

●系統采樣率高達192kHz;

●功耗小于150mW;

●內部帶有高通濾波電路或直流失調電壓標定電路;

●內帶線性相移數字抗混濾波器;

●支持5V到2.5V邏輯電平;

●采用差動輸入結構;

●具有溢出檢測功能;

●采用24腳SOIC或TSSOP封裝形式?

24位Δ-Σ結構音頻AD轉換器CS5361的性能特點及應用分析

CS5361是供數字音頻系統使用的完整的模數轉換器，可完成采樣?模數轉換?抗混濾波等功能，并最終產生以串行模式輸出的?對應于左右兩個輸入通道信號的24位采樣數據，而且其最高數據輸出率可高達192kHz?

CS5361芯片采用具有優良噪聲抑制能力的差動輸入結構，并采用5階多位Δ-Σ調制器，同時帶有數字濾波器和抽樣器，從而避免了需要外部抗混濾波器的麻煩?

2 CS5361的引腳排列及功能

CS5361采用24腳SOIC或TSSOP封裝，引腳排列圖如圖1所示?芯片內部結構圖如圖2所示?各引腳的功能如下：

RST：低功耗模式選擇端，低電平有效;

M/ S：主?從模式選擇引腳，該腳為低電平時，芯片為從工作模式;

LRCK：該端可用于決定當前串行數據屬于左通道還是右通道;

SCLK：串行移位時鐘端口;

MCLK：調制器和數字濾波器的時鐘源;

VD：芯片數字電源;

GND：地參考，必須與模擬地相連;

VL：數字輸入輸出部分電源;

SDOUT：串行數據信號輸出端;

MDIV：時鐘分頻端，該腳為高電平時，主時鐘被2分頻;

HPF：高通濾波器允許端，該腳為低電平時，高通濾波器工作;

I2S/LJ：數據輸出格式選擇端，該腳為高電平時，輸出格式為I2S，否則為左對齊輸出格式;

M0?M1：操作模式選擇端;

OVFL：左右通道溢出指示腳;

AINL+，AINL-，AINR+，AINR-：分別為左右通道模擬信號的+?-輸入端;

VA：+5V模擬電源輸入端;

VQ：內部靜態參考電壓，使用時應連接濾波器;

REFGND：內部采樣電路參考地;

FILT+：內部采樣電路參考電壓?

3 基本工作原理

CS5361轉換器工作時，應根據工作的具體需要確定工作模式?操作模式?輸出格式?高通濾波模式等工作參數，下面分別介紹這些參數的意義及設置方式?

3.1 操作模式及采樣率范圍選擇

CS5361轉換器的M1?M0引腳狀態可用于決定芯片的操作模式，通過設置適當的操作模式，可使CS5361的輸出采樣率（FS）在2kHz到192kHz之間進行選擇?每種操作模式對應的采樣率范圍如表1所列?

對于每種操作模式，芯片的性能可能略有差異，例如，工作在單速模式時，CS5361的數字濾波器的通帶為0~0.47FS，阻帶大于0.58FS，阻帶衰減優于95dB，濾波器群延時為12/FS（S）;工作在倍速模式時，CS5361的數字濾波器的通帶為0~0.45FS，阻帶大于0.68FS，阻帶衰減優于92dB，濾波器群延時為9/FS（S）;工作在四速模式時，CS5361的數字濾波器的通帶為0~0.24FS，阻帶大于0.78FS，阻帶衰減優于97dB，濾波器群延時為5/FS（S），因此，應根據實際需要適當選擇CS5361的操作模式?

3.2 系統時鐘MCLK和MDIV狀態

當CS5361的操作模式確定后，系統時鐘和MDIV的狀態將決定具體的輸出采樣率（FS）?左右通道時鐘LRCK和串行移數時鐘頻率（SCLK）?

對于單速模式，其采樣率范圍為2~48kHz，因此，當MDIV為0時， MCLK的范圍應為512kHz~12288kHz;而當MDIV為1時， MCLK的范圍應為1024kHz~24576kHz;

對于倍速模式，采樣率范圍為48~96kHz，故在MDIV為0時， MCLK的范圍應為6144kHz~12288kHz;為1時MCLK的范圍應為12288kHz~24576kHz;

對于四速模式，由于其采樣率范圍為96~192kHz因此，當MDIV為0時，MCLK的范圍應為6144 kHz~12288kHz;而當MDIV為1時， MCLK的范圍則應為12288kHz~24576kHz?

3.3 主從模式設置

通過設置芯片的第2腳為高電平可使CS5361進入主模式，反之進入從模式?主從模式的區別在于進入主模式時，LRCK?SCLK為輸出信號？而在從模式時，LRCK?SCLK為輸入信號，并應保證LRCK?SCLK與MCLK同步，同時應使LRCK=FS?SCLK=64FS，否則將影響器件性能的發揮?設計主從模式的目的在于，多片ADC同步工作時，可以使其中的一片工作于主模式，其它工作于從模式，從模式ADC的LRCK?SCLK來自于主模式的ADC，這樣可保證多片ADC的同步工作?

3.4 高通濾波器和直流偏移標定

由于CS5361轉換器內部集成有數字高通濾波器?因此，可通過控制該芯片HPF引腳的狀態來控制高通濾波器的工作狀況，具體的方法是：當HPF為0時，內部高通濾波器將連續記錄通道內的低頻信號，并從抽樣濾波器中濾除低于轉折頻率的低頻信號，從而實現高通濾波功能?此時高通濾波器的轉折頻率為1Hz，高通濾波器的建立時間為105/FS（s）;而當HPF為1時，高通濾波器記錄的低頻信號被凍結，并連續地從抽樣濾波器中被扣除，從而實現直流偏移校正功能?與CS5361相連的模擬通道在工作時，可能會產生小的直流偏移，從而影響CS5361性能的發揮?因此，可以利用CS5361內部集成的數字高通濾波器將直流偏移校正掉，現將其工作過程說明如下：

（1）開通高通濾波器，等待至少105/FS秒的時間以建立高通濾波功能;

（2）高通濾波器建立后，禁止高通濾波器工作，凍結直流偏移值，此時芯片的輸出即為去掉直流偏移后的數據?

應當說明的是：在此過程中，應始終保持CS5361處在正常工作狀態?如果CS5361進入低功耗模式，那么高通濾波器中凍結的直流偏移值將被復位，此時若想實現直流偏移校正功能，則必須重復上述過程?

圖3

3.5 數據輸出格式控制

CS5361的數據輸出格式有左對齊格式和I2S格式?通過控制I2S/LJ腳的狀態可以選擇數據的輸出格式?

當I2S/LJ為0時，數據輸出格式為左對齊格式;當I2S/LJ為1時，數據輸出格式為I2S格式?兩種格式的時序圖如圖3所示?

4 應用

同其它高精度AD轉換器一樣，CS5361在實際應用時，也應特別注意地線和電源線的布線?設計時必須為VA和VL提供干凈的電源，當用VD給CS5361內部的數字濾波器供電時，可以通過一個電阻從VA上獲取，也可以直接與系統的邏輯電源相連?而如果VD從VA上獲取，則必須保證VD不再給其它數字電路供電?電源退耦電容必須盡可能靠近CS5361，而且應使小容量的電容更靠近ADC?所有信號，特別是時鐘信號必須遠離FILT+和VQ引腳，接在FILT+和VQ上的退耦電容必須放在與REFGND最近的位置?為了減小數字信號干擾，ADC的數字輸出應該只驅動CMOS輸入端?圖4是CS5361的典型應用電路連接圖?

由于ADC只以有限頻率采樣模擬信號，因此，高于一定頻率的信號可能會引起假頻信號?另外，由于ADC的輸入阻抗有限，因此，在輸入端還應加一定帶寬的阻抗匹配電路，以改善ADC的性能?

由于ADC參考電壓的源阻抗以及外部濾波電容的影響，系統上電后，必須經過一段時間，參考電壓才能穩定，因此，必須等待一段時間后才能得到準確的測量結果?另外在實際使用CS5361時，還有以下幾點需要注意：