德州儀器PCM270xC系列立體聲音頻DAC：特性、應用與設計要點

在音頻設備設計領域，一款性能出色的數字 - 模擬轉換器（DAC）至關重要。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注的立體聲音頻DAC，它們具備USB接口、單端耳機輸出和S/PDIF輸出等功能，為音頻設計帶來了諸多便利。

文件下載：pcm2705c.pdf

特性亮點

集成USB接口

PCM270xC系列采用片上USB接口，無需專用設備驅動，支持全速收發器，完全符合USB 2.0規范，同時具備USB 1.1描述符并支持USB音頻類。該接口還通過了USB - IF認證，部分描述符可進行編程，采用自適應等時傳輸進行播放，支持總線供電或自供電操作。這使得設備在與USB設備連接時更加便捷，兼容性也大大增強。

靈活的采樣率和時鐘源

支持32 kHz、44.1 kHz和48 kHz的采樣率，片上時鐘發生器只需一個12 - MHz的時鐘源，為音頻數據的處理提供了穩定的時鐘基礎。無論是何種音頻格式，都能保證數據的準確傳輸和處理。

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。總諧波失真加噪聲（THD + N）低至0.006%（(R_{L}>10 k Omega)，自供電），信噪比（SNR）高達98 dB，動態范圍達到98 dB，能有效還原音頻信號，減少失真和噪聲干擾。同時，還具備過采樣數字濾波器，通帶紋波為±0.04 dB，阻帶衰減為 - 50 dB，進一步提升了音頻質量。

多功能設計

提供多達八個HID接口（具體取決于型號和設置），支持暫停標志、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系列能夠適應不同的應用場景，滿足多樣化的設計需求。

應用場景

USB音頻設備

如USB耳機、USB音頻揚聲器、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備能夠直接與計算機或其他USB主機連接，實現音頻的播放和傳輸。

USB特色消費音頻產品

在一些具有USB功能的消費音頻產品中，PCM270xC系列可以提供高質量的音頻轉換和輸出，提升產品的音頻性能。

詳細描述

功能概述

PCM2704C/5C/6C/7C是單芯片USB立體聲音頻DAC，具備USB 2.0兼容的全速協議控制器和S/PDIF。USB協議控制器無需軟件代碼，但部分USB描述符可通過外部ROM（PCM2704C和PCM2706C）或串行外設接口（SPI）（PCM2705C和PCM2707C）進行修改。同時，采用了TI獨特的SpAct?架構，能夠從USB數據包數據中恢復音頻時鐘，片上模擬鎖相環（PLL）配合SpAct實現低時鐘抖動的播放。

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協議控制、DAC、S/PDIF編碼器等模塊。電源管理模塊負責將5 V轉換為3.3 V，為芯片提供穩定的電源；USB協議控制器處理USB數據的傳輸和控制；DAC將數字音頻信號轉換為模擬信號，通過耳機放大器輸出；S/PDIF編碼器將音頻數據編碼為S/PDIF格式輸出。

特性描述

時鐘和復位

芯片需要一個12 - MHz（±500 ppm）的時鐘，可以由板載振蕩器使用12 - MHz晶體諧振器產生，也可以由外部時鐘提供。同時，具備內部上電復位電路，當(V_{DD})超過2 - V典型值（1.6至2.4 V）時，自動進行復位操作。

操作模式選擇

通過PSEL引腳選擇電源配置，可設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檢測器。PCM2706C/7C還可以通過FSEL引腳選擇功能，如I2S接口或S/PDIF輸出。

DAC

采用過采樣技術和二階多位噪聲整形，有效降低音頻帶內的量化噪聲，內置的模擬低通濾波器可去除噪聲整形信號的高頻成分。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。

數字音頻接口

支持S/PDIF輸出，遵循IEC - 60958標準，將主機的等時輸出數據編碼為S/PDIF格式輸出。PCM2706C和PCM2707C還支持I2S接口，通過FSEL引腳啟用，可提供16位I2S格式的數字輸出/輸入數據。

描述符數據修改

描述符數據可通過外部ROM（PCM2704C/6C）或SPI主機（PCM2705C/7C）進行修改，但需要特定的PSEL和HOST引腳配置。在修改描述符數據時，要注意D + 引腳上拉電阻的激活時間，以及數據的傳輸格式和字節順序。

編程

USB接口

控制數據和音頻數據通過D + 和D - 引腳以全速傳輸。設備描述符、配置描述符和字符串描述符的部分內容可通過外部ROM或SPI進行修改。

接口配置

接口0為控制接口，描述標準音頻控制接口，包含輸入終端、輸出終端和特征單元；接口1為音頻流數據輸出接口，有多種可選配置；接口2為HID接口，可報告多個按鍵狀態。

端點

芯片具有三個端點：控制端點、等時輸出音頻數據流端點和HID端點。控制端點負責控制芯片的所有功能；等時輸出音頻數據流端點接收PCM音頻數據；HID端點每10 ms報告一次HID狀態。

應用與設計要點

典型應用

USB揚聲器

以一個內部描述符、總線供電、500 - mA的應用為例，電路連接相對簡單。只需將芯片直接連接到USB端口，配合外部ROM進行描述符編程，同時注意HID端口開關的連接方式和輸出濾波器的放置。

遠程耳機

對于總線供電、100 - mA的耳機應用，同樣要注意電源和描述符編程的設置，同時利用芯片的多個HID接口實現更多功能。

DSP環繞處理放大器

在自供電且支持I2S和SPI的應用中，要確保電源的穩定性和SPI通信的正確性，同時合理配置芯片的各個引腳。

電源供應

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

布局設計

去耦電容應盡量靠近芯片引腳，可參考示例布局進行設計。由于芯片為低功耗設備，無需特殊的散熱PCB設計。

總結

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計，為音頻設備設計提供了一個優秀的解決方案。無論是在USB音頻設備還是消費音頻產品中，都能發揮重要作用。在實際設計過程中，電子工程師需要充分了解芯片的特性和應用要求，合理進行電路設計和布局，以實現最佳的音頻效果。大家在使用PCM270xC系列芯片時，有沒有遇到過一些特別的問題或者有獨特的設計經驗呢？歡迎在評論區分享交流。