探索PCM3168A音頻編解碼器：高音質與多功能的完美融合

在音頻處理領域，一款性能卓越的編解碼器對于實現高質量的音頻體驗至關重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）推出的PCM3168A 24位、96 - kHz/192 - kHz、6輸入/8輸出音頻編解碼器，看看它是如何在眾多產品中脫穎而出的。

文件下載：pcm3168a.pdf

1. 核心特性，鑄就卓越音質

1.1 24位ΔΣ ADC和DAC

PCM3168A配備了24位的ΔΣ ADC和DAC，為音頻處理提供了高精度的支持。其中，六通道ADC性能出色，無論是差分輸入還是單端輸入，都能展現出優秀的指標。在 (f{S}=48 kHz) 時，THD + N低至 - 93 dB，SNR高達107 dB（差分）和104 dB（單端），動態范圍也分別達到107 dB（差分）和104 dB（單端）。采樣率范圍從8 kHz到96 kHz，系統時鐘支持256 (f{S}) 、384 (f{S}) 、512 (f{S}) 、768 (f{S}) 多種選擇，為不同的應用場景提供了靈活性。 八通道DAC同樣表現優異，在 (f{S}=48 kHz) 時，THD + N為 - 94 dB，SNR和動態范圍均達到112 dB。采樣率范圍更廣，從8 kHz到192 kHz，系統時鐘支持128 (f{S}) 、192 (f{S}) 、256 (f{S}) 、384 (f{S}) 、512 (f{S}) 、768 (f{S}) 。差分電壓輸出可達8 VPP，還集成了模擬低通濾波器和4x/8x過采樣數字濾波器，通帶紋波僅為±0.0018 dB，阻帶衰減達到 - 75 dB。

1.2 靈活的模式控制

PCM3168A提供了多種控制方式，包括四線SPI?、兩線 (I^{2} C^{TM}) 兼容串行控制接口或硬件控制。通過SPI或 (I^{2} C) 接口，可以實現音頻接口模式和格式選擇、數字衰減和軟靜音、數字去加重等多種功能。硬件控制模式則可以進行音頻接口模式/格式選擇和數字去加重濾波器選擇。此外，還具備外部復位引腳，可同時復位ADC和DAC。

1.3 豐富的音頻接口和數據格式

支持ADC和DAC獨立的主從模式，音頻數據格式包括 (I^{2} S^{TM}) 、左對齊、右對齊、DSP、TDM等，滿足不同的音頻系統需求。

2. 廣泛應用，滿足多樣需求

PCM3168A的應用場景十分廣泛，涵蓋了汽車音頻和家庭音頻領域。在汽車音頻方面，可用于汽車音頻外部放大器和AVN應用，為車內提供高品質的音頻體驗。在家庭音頻領域，適用于家庭影院和AV接收器，讓用戶在家中就能享受到沉浸式的音頻效果。

3. 詳細剖析，了解內部結構

3.1 功能框圖

PCM3168A的功能框圖展示了其內部的各個模塊，包括ADC、DAC、數字濾波器、音頻串行接口和時鐘控制等。這些模塊協同工作，實現了音頻信號的采集、處理和輸出。

3.2 特性描述

• 模擬輸入：具有六個ADC，支持差分和單端輸入。全量程輸入電壓在單端輸入模式下為 (0.2 × V{CCAD1} V{RMS}) ，差分輸入模式下為 (0.4 × V{CCAD1} V{RMS}) 。輸入模式可通過MODE引腳或寄存器設置進行選擇。
• 模擬輸出：包含八個DAC，采用差分輸出配置，全量程輸出電壓為 (1.6 × V{CCDA1} V{PP}) ，支持直流耦合和交流耦合負載。
• 電壓參考：內部提供兩個參考電壓輸出VREFAD1和VREFAD2，以及兩個共模電壓輸出VCOMAD和VCOMDA，用于為ADC和DAC提供穩定的參考電壓。
• 系統時鐘輸入：需要外部系統時鐘輸入SCKI，ADC和DAC支持不同的系統時鐘倍數，具體倍數根據采樣頻率而定。
• 采樣模式：ADC支持單速率和雙速率采樣模式，DAC支持單速率、雙速率和四速率采樣模式。采樣模式可自動選擇或手動設置。
• 復位操作：具備內部上電復位電路和外部復位電路。內部復位在 (V_{DD}) 超過2.2 V時自動觸發，外部復位可通過RST引腳進行強制復位。
• 高通濾波器（HPF）：為所有ADC通道配備高通濾波器，用于去除數字化輸入信號的直流分量， - 3 dB截止頻率與輸出采樣率成比例。
• 溢出標志和零標志：ADC具有溢出標志輸出OVF，當任何一個ADC數字輸出超過滿量程范圍時，OVF引腳將被置高。DAC具有零標志輸出ZERO，當所有DAC數字輸入連續1024個LRCKDA時鐘周期為零數據時，ZERO引腳將被置高。

3.3 設備功能模式

• 模式控制：通過MODE引腳可選擇四種模式控制，包括兩線 (I^{2} C) 串行控制、四線SPI串行控制和硬件控制。不同模式下，部分引腳的功能會發生變化。
• 硬件控制模式配置：在硬件控制模式下，可通過MC/SCL/FMT引腳選擇數據格式，通過MDI/SDA/DEMP引腳啟用數字去加重濾波器，通過MS/ADR0/MD0和MDO/ADR1/MD1引腳選擇音頻接口和采樣模式。
• 音頻串行端口操作：音頻串行端口由11個信號組成，支持音頻接口模式、從模式和主模式。
• 音頻數據接口格式和時序：支持多種音頻數據接口格式，包括24位 (I^{2} S) 、24位左對齊、24位右對齊、16位右對齊、24位DSP格式、24位TDM格式等。不同格式在主從模式下有不同的應用限制和時序要求。
• 與數字音頻系統的同步：PCM3168A在從模式下需要系統時鐘SCKI和音頻采樣率LRCKAD/DA之間具有特定的頻率關系。如果關系發生變化超過±2 BCKAD/DAs，ADC或DAC的內部操作將暫停，直到重新同步完成。

3.4 寄存器映射

PCM3168A具有多個控制寄存器，可通過SPI或 (I^{2} C) 串行控制端口進行編程。這些寄存器用于配置設備的各種功能，如采樣模式、音頻接口格式、數字衰減、軟靜音等。

4. 應用與實現，搭建音頻系統

4.1 應用信息

典型的應用電路展示了如何連接PCM3168A的六個模擬輸入和八個模擬輸出。在設計過程中，建議使用輸入和輸出濾波器來處理輸入和輸出信號，以提高音頻質量。

4.2 系統示例

提供了多種典型的電路連接示例，包括單端到差分緩沖器和抗混疊低通濾波器、差分到單端緩沖器和后置低通濾波器等，幫助工程師根據實際需求選擇合適的電路。

5. 電源與布局，保障穩定運行

5.1 電源供應建議

PCM3168A需要5 V的模擬電源和3.3 V的數字電源，建議使用陶瓷電容器和電解電容器進行電源去耦，以提高ADC和DAC的動態性能。同時，建議使用同一電源源為 (V{CC}) 和 (V{DD}) 供電，并同時進行電源的開啟和關閉操作，以避免意外的電源問題。

5.2 布局指南

• 電源引腳：將數字和模擬電源引腳通過陶瓷電容器和電解電容器與相應的接地引腳進行旁路，以減少電源噪聲。
• 接地：模擬和數字接地引腳應具有低阻抗，避免數字噪聲反饋到模擬接地。所有接地引腳應直接連接在一起，并與應用的模擬接地相連。
• 輸入引腳：對于VINx±引腳，建議使用電解電容器進行交流耦合，并使用抗混疊濾波器。對于未使用的輸入引腳，可采用不同的終端方式進行處理。
• 輸出引腳：可直接連接差分到單端緩沖器和后置低通濾波器，以減少耦合電容器的使用。
• MODE引腳：該引腳具有四態輸入能力，需要使用220 kΩ ± 5%的上拉或下拉電阻進行區分。
• RST引腳：當MODE引腳設置發生變化時，需要通過RST引腳進行切換，以使新的模式設置生效。
• OVF引腳：主要用于指示ADC溢出發生檢測，同時也用于指示內部復位序列完成。
• 系統時鐘和音頻接口時鐘：系統時鐘SCKI的質量會影響動態性能，需要考慮其抖動、占空比和上升/下降時間。在從模式下，需要注意音頻接口時鐘與系統時鐘之間的時序關系，以避免性能下降。
• PowerPAD：該引腳應與接地平面進行低阻抗連接，以提高散熱性能。
• 外部靜音控制：為避免DAC輸出的直流電平變化產生的爆裂噪聲，建議使用外部靜音控制，并按照特定的控制序列進行操作。

6. 總結與展望

PCM3168A音頻編解碼器以其卓越的性能、豐富的功能和靈活的控制方式，為音頻系統設計提供了強大的支持。無論是在汽車音頻還是家庭音頻領域，都能滿足用戶對高品質音頻的需求。在實際應用中，工程師需要根據具體需求合理選擇控制模式、配置寄存器，并注意電源供應和布局設計，以確保設備的穩定運行和最佳性能。隨著音頻技術的不斷發展，相信PCM3168A將在更多的應用場景中發揮重要作用。

希望通過本文的介紹，能幫助各位工程師更好地了解和應用PCM3168A音頻編解碼器。如果你在使用過程中遇到任何問題或有相關的經驗分享，歡迎在評論區留言交流。