DS90UA101-Q1：汽車級多通道數字音頻鏈路的理想之選

作為一名電子工程師，在硬件設計開發的道路上，我們總是在不斷尋找能提升性能、簡化設計的優質產品。最近，我深入研究了德州儀器（TI）的DS90UA101-Q1多通道數字音頻鏈路，發現它在汽車音頻系統等領域有著出色的表現，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是一款滿足汽車級標準（AEC - Q100 Grade 2）的數字音頻串行器，其工作溫度范圍為-40°C至105°C，能適應復雜的汽車環境。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）格式的數字音頻輸入，可滿足不同音頻系統的需求。
2. 高速串行輸出：通過同軸或單差分對互連，實現高速串行輸出接口，傳輸效率高。
3. 極低延遲：延遲小于15μs，確保音頻傳輸的實時性。
4. 雙向控制接口：帶有與I2C兼容的串行控制總線，方便進行設備配置和通信。
5. 多通道支持：最多支持8個立體聲I2S或TDM音頻輸入。
6. 寬時鐘范圍：支持10MHz至50MHz的音頻系統時鐘。
7. 單電源供電：采用單1.8V電源供電，簡化了電源設計。
8. 靈活的I/O接口：I/O接口支持1.8V或3.3V，可根據系統需求靈活配置。
9. 長距離傳輸：支持AC耦合的STP或同軸電纜，傳輸距離可達15m。
10. 數據處理：數據采用直流平衡和加擾處理，并嵌入時鐘，提高了信號質量和抗干擾能力。

引腳功能詳解

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

數字音頻接口

• SCK（3腳）：系統時鐘輸入，前向通道音頻數據由此引腳提供時鐘。
• LRCK（2腳）：字時鐘輸入。
• BCK（1腳）：位時鐘輸入。
• DIN[7:0]（23、24、26、27、29、30、31、32腳）：數字音頻數據輸入，每個輸入可以是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時鐘線，需外部上拉至VDDIo。
• SDA（5腳）：I2C數據輸入/輸出線，同樣需外部上拉至VDDIo。
• IDx（6腳）：用于設置設備的I2C地址。
• SET（8腳）：設備設置引腳，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驅動電源。
• VDDIO（25腳）：LVCMOS I/O電源，可選擇1.8V（±5%）或3.3V（±10%）。
• VDDD（28腳）：1.8V（±5%）數字電源。
• GND（DAP）：位于LLP封裝底部中心的大金屬觸點，需通過至少9個過孔連接到地平面。

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

電氣特性與性能指標

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運行至關重要。DS90UA101-Q1的絕對最大額定值包括：

• 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驅動I/O電壓： - 0.3V至 +（VDDCML + 0.3V）。
• 結溫： + 150°C。
• 存儲溫度： - 65°C至 + 150°C。

推薦工作條件

在實際應用中，為了保證器件性能的穩定性，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時鐘頻率：STP電纜為10MHz至50MHz，同軸電纜為25MHz至50MHz。

電氣特性參數

文檔中還詳細列出了各種電氣特性參數，如LVCMOS直流規格、CML驅動直流規格、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驅動輸出的差分電壓（IVool）典型值為340mV等。這些參數為我們進行電路設計和性能評估提供了重要依據。

功能描述與應用

芯片組功能

DS90UA101-Q1通常與DS90UA102-Q1解串器配合使用，構成完整的數字音頻傳輸解決方案。該芯片組可將數字音頻源與遠程音頻轉換器和DSP連接起來，支持10MHz至50MHz的參考時鐘。DS90UA101-Q1將最多8個音頻輸入、4個通用輸入以及雙向控制通道數據串行化到單個高速差分對或單端同軸電纜上，而DS90UA102-Q1則將接收到的串行數據流轉換回數字音頻輸出、控制通道數據和通用輸出。

控制通道功能

芯片組的雙向控制通道功能實現了鏈路兩端設備之間的雙向通信，例如數字信號處理器（DSP）和音頻數模轉換器（DAC）之間的通信。通過I2C端口，可對雙向控制通道總線進行控制，無需額外的編程和控制線，簡化了系統設計。

傳輸媒體

DS90UA101-Q1/DS90UA102-Q1芯片組適用于通過屏蔽雙絞線（STP）或同軸電纜的點對點數據鏈路。串行器和解串器提供內部終端，以最小化阻抗不連續性。電纜和連接器的差分阻抗應為100Ω，單端阻抗應為50Ω。電纜的最大長度取決于電纜質量、連接器、電路板和電氣環境等因素。

音頻系統時鐘操作

芯片組以數字音頻源的音頻系統時鐘（SCK）作為參考時鐘進行操作。音頻數據、LRCK和BCK輸入通過SCK時鐘進入串行器，同時最多4個GPI輸入也會被采樣并與數字音頻輸入一起傳輸。當SCK空閑或缺失時，串行器會切換到內部參考時鐘，其頻率可通過設備控制寄存器進行選擇。

串行幀格式與音頻格式

• 串行幀格式：高速前向通道由28位數據組成，包含數字音頻數據、同步信號、I2C和奇偶校驗位。數據經過隨機化、平衡和加擾處理，以優化在交流耦合鏈路上的信號傳輸。雙向控制通道數據與高速前向數據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、左對齊格式、右對齊格式和TDM格式。不同的音頻格式在數據傳輸的時序和對齊方式上有所不同，我們可以根據具體的應用需求進行選擇。

錯誤檢測與I2C功能

• 錯誤檢測：芯片組提供錯誤檢測功能，可對雙向控制通道數據和并行音頻/同步數據進行校驗。前向通道使用1位奇偶校驗位，后向通道使用4位CRC位進行錯誤檢測。檢測到的錯誤數量會分別存儲在串行器和解串器的兩個8位寄存器中。
• I2C功能：I2C兼容接口允許通過雙向控制通道對串行器、解串器或外部遠程設備進行編程。I2C總線數據速率支持高達400kbps的快速模式，通過SCL和SDA線進行寄存器編程事務。

I2C相關特性

• IDx地址解碼器：串行器上的IDx引腳用于解碼和設置I2C地址，通過連接不同的電阻值可設置6種可能的I2C地址。
• I2C透傳：I2C透傳功能允許訪問串行接口另一端的遠程設備。通過配置相關寄存器，可實現對遠程串行器、解串器或遠程從設備的訪問。
• 多設備尋址：為了支持在同一I2C總線上訪問具有相同固定地址的多個設備，芯片組提供了從設備ID別名功能。通過編程從設備別名ID寄存器，可獨立尋址具有相同I2C地址的從設備。
• 從設備時鐘拉伸：為了與遠程設備進行通信和同步，芯片組在數據傳輸期間利用總線時鐘拉伸（將SCL線拉低）。I2C主設備必須支持從設備時鐘拉伸才能與遠程設備進行通信。

其他功能

• 通用輸入輸出：DS90UA101-Q1有4個專用通用輸入（GPIs），DS90UA102-Q1有4個專用通用輸出（GPOs）。此外，DS90UA101-Q1還有4個GPOs，DS90UA102-Q1有4個GPIOs，可實現靈活的控制和數據傳輸。
• LVCMOS VDDIO選項：串行器的輸入可配置為1.8V或3.3V，以兼容不同的系統接口。
• 電源管理：通過PDB引腳可控制設備的開啟和關閉。當PDB為高電平時，設備激活；為低電平時，設備進入掉電狀態，控制寄存器配置恢復為默認值。
• SCK時鐘邊緣選擇：TRFB寄存器可選擇輸入時鐘的哪個邊緣用于鎖存輸入數據，可根據具體需求進行配置。
• 內置自測試（BIST）：可選的全速內置自測試功能可用于測試高速串行鏈路和低速后向通道，在原型階段、設備生產和系統診斷中非常有用。

應用信息與設計考慮

AC耦合

SER/DES僅支持通過集成的直流平衡編碼方案進行交流耦合互連。在應用中，需要在串行接口信號路徑上串聯外部交流耦合電容。對于STP電纜，需要在兩個輸出（DOUT +、DOUT -）上使用0.1μF的耦合電容；對于單端50Ω同軸電纜，需要在真串行接口輸出（DOUT +）上使用0.1μF的電容，未使用的數據引腳（DOUT -）需要通過0.047μF電容耦合到50Ω電阻接地。

典型應用連接

典型應用連接圖展示了DS90UA101-Q1串行器的連接方式。串行接口輸出必須連接外部0.1μF耦合電容，串行器具有內部終端。電源引腳附近應放置旁路電容，并使用鐵氧體磁珠進行有效的噪聲抑制。數字音頻電氣接口為LVCMOS格式，VDDIO引腳可連接到3.3V或1.8V，設備I2C地址選擇通過IDx引腳進行配置。

PCB布局和電源系統考慮

在PCB布局和電源系統設計中，需要注意以下幾點：

• 低噪聲電源：設計電路布局和堆疊時，應為設備提供低噪聲電源。
• 信號隔離：將高頻或高電平輸入輸出分開，以減少雜散噪聲拾取、反饋和干擾。
• 電源平面：使用薄電介質（2至4密耳）的電源/接地夾層，可提高電源系統性能。
• 旁路電容：外部旁路電容應包括RF陶瓷和鉭電解電容，推薦使用表面貼裝電容，并將較小值的電容靠近引腳放置。
• 多層板設計：建議使用至少四層板，包含電源和接地平面，并將LVCMOS信號遠離差分線。
• 互連準則：使用100Ω耦合差分對，遵循S/2S/3S規則進行間距設計，盡量減少過孔數量，使用差分連接器，保持走線平衡，最小化線對內的偏斜。

封裝信息

文檔提供了DS90UA101-Q1的多種封裝選項，包括不同的訂購編號、封裝類型、引腳數量、包裝數量、載體、RoHS合規性、引腳鍍層/球材料、MSL評級/峰值回流溫度、工作溫度和零件標記等信息。同時，還給出了封裝的尺寸圖、磁帶和卷軸信息、示例電路板布局、示例模板設計等詳細內容。

總結

DS90UA101-Q1是一款功能強大、性能出色的汽車級數字音頻串行器，它在音頻傳輸、控制通道通信、錯誤檢測等方面都有著優秀的表現。其豐富的特性和靈活的配置選項，為我們在汽車信息娛樂系統、主動降噪系統、分布式多通道音頻系統等應用中提供了可靠的解決方案。在實際設計過程中，我們需要充分了解其引腳功能、電氣特性和應用要求，合理進行PCB布局和電源系統設計，以確保系統的穩定性和可靠性。大家在使用過程中有沒有遇到過什么問題呢？歡迎一起討論交流。