探索PCM1870A：低功耗立體聲ADC的卓越之選

在當今便攜式數字音頻設備蓬勃發展的時代，一款性能出色的低功耗立體聲ADC對于提升音頻質量和設備續航能力至關重要。TI的PCM1870A就是這樣一款值得深入研究的產品，今天我們就來詳細探討它的特性、功能及應用。

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一、PCM1870A概述

PCM1870A是一款專為便攜式數字音頻應用設計的低功耗立體聲ADC。它集成了線輸入放大器、升壓放大器、麥克風偏置、可編程增益控制、音效和自動電平控制（ALC）等功能，采用24引腳YZF（2.49mm × 3.49mm）封裝，有效節省了電路板空間。該芯片支持5kHz至50kHz的采樣頻率，能接受右對齊、左對齊、I2S和DSP格式，方便與音頻DSP和編碼器芯片進行接口連接。

二、關鍵特性剖析

（一）模擬前端

1. 輸入類型豐富：具備立體聲單端輸入、單聲道差分輸入，還有立體聲可編程增益放大器和麥克風升壓放大器及偏置。這種多樣化的輸入方式能滿足不同音頻源的接入需求，無論是麥克風輸入還是線路輸入都能輕松應對。
2. 出色的模擬性能：動態范圍達到90dB，能有效還原音頻信號的細節，為用戶帶來清晰、純凈的音頻體驗。
3. 寬電源電壓范圍：數字I/O部分和數字核心部分的電源電壓范圍為1.71V至3.6V，模擬部分為2.4V至3.6V。這種寬電壓范圍的設計增加了芯片在不同電源環境下的適用性，方便工程師進行電源設計。
4. 低功耗優勢：在不同工作模式下功耗表現優秀，例如在1.8/2.4V、48kHz、立體聲錄制模式下功耗為13mW；在1.8/2.4V、8kHz、單聲道錄制模式下功耗僅為5.3mW；在全功率關斷模式下功耗低至3.3μW。低功耗特性對于便攜式設備來說至關重要，能有效延長設備的續航時間。

（二）其他特性

1. 自動電平控制（ALC）：在錄音過程中，ALC能自動擴展小輸入信號并壓縮大輸入信號，確保錄制的聲音處于合適的電平，避免信號飽和或過小，提高錄音質量。
2. 單時鐘輸入操作：無需PLL，通過單時鐘輸入即可實現系統時鐘的運行，簡化了時鐘設計，降低了硬件成本和復雜度。
3. 多種串行控制方式：支持2線（I2C）或3線（SPI）串行控制，方便與不同的主控芯片進行通信，增加了系統設計的靈活性。
4. 可編程功能豐富：通過寄存器控制可以實現數字軟靜音、LRCK、BCK和DOUT的高阻態設置、各模塊的電源上下電控制、模擬輸入增益調節、麥克風輸入升壓、ALC參數設置、三頻段音調控制和3D音效等功能。這些可編程功能為工程師提供了極大的設計自由度，能根據不同的應用需求對芯片進行定制化配置。
5. 爆音降噪電路：有效減少音頻信號中的爆音，提升音頻的純凈度和穩定性。

三、電氣特性與性能曲線

（一）電氣特性

在 (T{A}=25^{circ} C) 、 (V{D D}=V{10}=V{C C}=V{P A}=3.3 ~V) 、 (f{S}=48 kHz) 、系統時鐘 = (256 f_{S}) 且為16位數據的條件下，PCM1870A展現出了良好的電氣性能。例如，滿量程輸入電壓為2.828Vp - p，信噪比（SNR）達到90dB，總諧波失真 + 噪聲（THD + N）在 - 1dB時為0.009%至0.017%等。這些參數表明芯片在音頻信號處理方面具有較高的精度和穩定性。

（二）性能曲線

文檔中給出了多種典型性能曲線，如抽取濾波器的阻帶和通帶特性曲線、高通濾波器的通帶特性曲線、三頻段音調控制曲線以及ADC在不同增益和電源電壓下的SNR和THD + N曲線等。通過這些曲線，工程師可以直觀地了解芯片在不同工作條件下的性能表現，為電路設計和參數調整提供參考。例如，從三頻段音調控制曲線中可以看到，通過調整不同頻段的增益，可以實現對音頻音調的靈活調節，滿足不同用戶對音頻音色的需求。

四、功能模塊詳解

（一）模擬輸入

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R引腳可作為麥克風或線路輸入，具有可選的0 - 或20 - dB升壓和1 - Vrms輸入。所有模擬輸入具有高輸入阻抗（20kΩ），且不受增益設置的影響。通過寄存器87可以選擇一對輸入，AIN1L和AIN1R還可作為單聲道差分輸入。這種設計使得芯片在處理不同類型的音頻輸入時具有較高的靈活性和穩定性。

（二）增益設置

模擬信號在經過0 - 、12 - 或20 - dB升壓放大器后，可通過寄存器79、80在30dB至 - 12dB范圍內以1dB步長進行調整，每個通道的增益可以獨立設置。在調整增益時，使用零交叉檢測（寄存器85，ZCRS）可以減少拉鏈噪聲，提高音頻質量。

（三）A/D轉換器

ADC包含多級Δ - Σ調制器、混疊濾波器、抽取濾波器、高通濾波器和陷波濾波器，能接受1Vrms作為滿量程輸入電壓。抽取濾波器具有數字軟靜音功能，可通過寄存器81進行控制；高通和陷波濾波器可根據需要通過寄存器81和寄存器96至104進行禁用，以消除直流偏移或避免風噪聲。

（四）其他功能

1. 公共電壓： (V{COM}) 引腳通常偏置為0.5 (V{CC}) ，為內部電路提供公共電壓。建議連接一個4.7 - μF電容器到該引腳，以優化模擬性能。
2. 麥克風偏置：MICB引腳為外部麥克風提供偏置源，可提供2mA（典型值）的偏置電流。
3. 3D音效：通過帶通濾波器對左右聲道數據進行混合，可實現3D音效。控制參數通過寄存器95進行設置，為音頻增添了立體感和空間感。
4. 三頻段音調控制：可對低音、中音和高音進行獨立調節，增益范圍為12dB至 - 12dB，通過寄存器92至94進行設置，滿足不同用戶對音頻音調的個性化需求。

五、操作與控制

（一）系統時鐘輸入

PCM1870A可接受多種頻率的輸入時鐘，無需PLL。時鐘分為通用音頻時鐘和特定應用時鐘，采樣率和系統時鐘頻率通過寄存器86和寄存器85進行設置。系統時鐘的脈沖持續時間高電平和低電平均要求不小于14ns。

（二）電源上電和復位

1. 上電復位：上電復位電路通常在 (V_{D D}=1.2 ~V) 時輸出復位信號，將內部電路清零至默認狀態，清除所有模擬和數字輸出信號。芯片無需電源順序，所有電源開啟后需寫入寄存器數據。
2. 系統復位：通過設置寄存器85（SRST）可啟用系統復位，所有寄存器自動清零，所有電路復位至默認狀態。但需要注意的是，啟用SRST時模擬輸出會產生可聽的爆音。

（三）電源上下電順序

為減少可聽的爆音，上電和下電時需要按照特定的寄存器設置順序進行操作。文檔中給出了詳細的推薦上電和下電順序表格，工程師在實際應用中應嚴格按照這些順序進行操作，以確保芯片的正常工作和音頻質量。

（四）音頻串行接口

音頻串行接口由LRCK、BCK和DOUT組成，采樣率和左右聲道信息通過LRCK表示，DOUT傳輸ADC抽取濾波器的串行數據，BCK用于在其高低電平轉換時傳輸音頻數據。芯片具有主模式和從模式接口格式，可通過寄存器84進行選擇。

（五）音頻數據格式

支持I2S、右對齊、左對齊和DSP格式，所有格式要求二進制補碼、MSB優先的音頻數據，默認格式為I2S。不同數據格式的選擇通過寄存器70進行設置。

（六）串行控制接口

1. 三線接口（SPI）：所有寫操作使用16位數據字，通過MC時鐘的上升沿將數據時鐘輸入到內部移位寄存器。文檔中給出了詳細的控制數據字格式和功能時序圖，工程師在設計SPI接口時需要嚴格按照這些要求進行操作，以確保通信的正確性。
2. 兩線接口（I2C）：作為從設備支持I2C串行總線和標準數據傳輸協議。芯片具有7位從地址，前六位為工廠預設，最后一位可由用戶定義。主設備通過控制數據包協議進行讀寫操作，文檔中也給出了詳細的數據包協議和讀寫操作的時序圖。

六、用戶可編程模式控制

PCM1870A的寄存器控制功能豐富，通過不同的寄存器可以實現各種功能的配置。例如，寄存器73用于控制模擬偏置電路的電源上下電；寄存器79、80用于設置ADC輸入的音量；寄存器81可控制ADC的高通濾波器、軟靜音和音頻接口等。詳細的寄存器映射和位定義在文檔中都有給出，工程師在進行編程時需要仔細參考這些信息，確保正確配置芯片的各項功能。

七、連接與布局考慮

（一）電源引腳

數字和模擬電源線路應通過0.1 - 至4.7 - μF的陶瓷電容器或電解電容器旁路到相應的接地引腳，且電容器應盡可能靠近引腳，以提高ADC的動態性能。

（二）接地引腳

模擬和數字接地內部不連接，為避免數字噪聲反饋到模擬接地，應確保它們具有低阻抗，并在芯片下方直接連接。

（三）輸入引腳

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R為單端輸入，AIN1L和AIN1R還可作為單聲道差分輸入。這些輸入集成了抗混疊低通濾波器，若性能不足，可添加適當的外部抗混疊濾波器。未使用的引腳應保持開路，避免通過寄存器選擇。

（四）其他引腳

當AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R作為高增益麥克風輸入時，AOL和AOR可能存在較大直流偏移，建議在AOL/AOR和PGINL/PGINR之間連接1 - 至10 - μF的隔直電容器；在 (V_{COM}) 和AGND之間建議連接1 - μF至4.7 - μF的電容器，以確保ADC公共電壓的低源阻抗；在主模式下，若BCK和DOUT線路較長，建議在芯片附近添加緩沖器并最小化負載電容，以減少數字和模擬電路之間的串擾，提高ADC的動態性能并降低功耗。

八、總結

PCM1870A以其豐富的功能、出色的性能和低功耗特性，成為便攜式數字音頻應用中一款極具競爭力的低功耗立體聲ADC。它在模擬前端設計、增益控制、音頻處理、控制接口等方面都展現出了較高的水平，為工程師提供了廣闊的設計空間。在實際應用中，工程師需要根據具體的需求，合理配置芯片的各項功能，并注意連接和布局的細節，以充分發揮PCM1870A的優勢，設計出高性能的音頻產品。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的應用經驗，歡迎在評論區分享交流。