德州儀器PCM1774：低功耗立體聲DAC的卓越之選

在當今的便攜式數字音頻應用領域，低功耗、高性能的音頻數模轉換器（DAC）至關重要。德州儀器的PCM1774便是這樣一款具有代表性的產品，它集成了多種功能，能滿足各種便攜式設備對音頻處理的需求。下面，我們就來詳細了解一下PCM1774。

文件下載：pcm1774.pdf

一、產品概述

PCM1774是一款專為便攜式數字音頻應用設計的低功耗立體聲DAC。它集成了耳機放大器、線路放大器、線路輸入、升壓放大器、可編程增益控制、模擬混音和音效等功能，采用了4mm × 4mm的QFN小尺寸封裝，非常適合對空間要求較高的便攜式設備。該產品支持右對齊、左對齊、I2S和DSP等多種格式，方便與音頻DSP和解碼器/編碼器芯片進行接口，采樣率最高可達50kHz，用戶可通過兩線或三線串行控制端口對其進行編程。

二、產品特性

2.1 模擬輸入輸出特性

• 模擬前端：具備立體聲單端輸入和麥克風放大器（增益可選12dB、20dB），輸入阻抗高達20kΩ，且增益設置不影響輸入阻抗。
• 模擬后端：提供立體聲/單聲道線路輸出和立體聲/單聲道耳機放大器輸出，均可進行音量控制。
• 模擬性能：動態范圍達93dB，在(R_{L}=16 Omega)時，耳機輸出功率可達40mW + 40mW。

2.2 電源特性

• 電源電壓范圍廣：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，模擬部分和功率放大器部分為2.4V至3.6V。
• 低功耗：播放模式下功耗為6.4mW（1.8V/2.4V，44.1kHz），掉電模式下僅為3.3μW。

2.3 時鐘與控制特性

• 采樣頻率：支持5kHz至50kHz的采樣頻率，可通過單時鐘輸入工作，無需PLL。
• 系統時鐘：支持多種常見音頻時鐘頻率，如256 (f{S} / 384 f{S}) 、12/24、13/26等。
• 控制方式：支持兩線（(I^{2} C^{TM})）或三線（SPI）串行控制，可通過寄存器控制實現多種可編程功能。

2.4 其他特性

• 可編程功能豐富：包括數字衰減（0dB至–62dB）、DAC數字增益（0、6、12、18dB）、各模塊的電源開關控制、模擬輸出增益（6dB至–70dB）、麥克風輸入增益（0/12/20dB）、模擬混音增益（0dB至–21dB）、三段音調控制和3D音效等。
• 保護電路：具備爆音降噪電路和短路保護電路，可有效提高音頻質量和設備的可靠性。

三、電氣特性

3.1 音頻數據特性

• 分辨率：16位。
• 音頻數據接口格式：支持I2S、左對齊、右對齊和DSP格式，數據位長度為16位，采用MSB優先的二進制補碼格式。
• 采樣頻率：范圍為5kHz至50kHz。

3.2 數字輸入輸出特性

• 邏輯電平：與CMOS邏輯兼容，輸入邏輯電平VIH為0.7VIO，VIL為0.3VIO；輸出邏輯電平VOH為0.75VIO，VOL為0.25VIO。
• 輸入輸出電流：輸入邏輯電流IIH和IIL在VIN = 3.3V和VIN = 0V時為–10至10μA。

3.3 動態性能特性

在不同的輸入輸出路徑下，如數字輸入到線路輸出、線路輸入到線路輸出、數字輸入到耳機輸出等，都具有良好的動態性能，如全量程輸出電壓、信噪比、聲道分離度和總諧波失真 + 噪聲等指標都表現出色。

3.4 電源和電流特性

• 電源電壓范圍：VIO、VDD為1.71V至3.6V，VCC、VPA為2.4V至3.6V。
• 電源電流：在不同的工作模式和負載條件下，電流消耗不同，可通過關閉未使用的模塊來降低功耗。

四、引腳分配與功能

PCM1774共有20個引腳，每個引腳都有其特定的功能，如模擬地（AGND）、模擬輸入（AIN1L、AIN1R）、串行位時鐘（BCK）、數字地（DGND）、串行音頻數據輸入（DIN）、耳機/線路輸出（HPOL/LOL、HPOR/LOR）等。詳細的引腳功能可參考產品的數據手冊。

五、功能模塊詳解

5.1 模擬輸入模塊

AIN1L和AIN1R引腳可作為麥克風或線路輸入，增益可選0、12或20dB，輸入阻抗為20kΩ。模擬信號的增益可在0dB至–21dB之間以1dB為步長進行調整。

5.2 D/A轉換器模塊

DAC包括多級Δ - Σ調制器和插值濾波器，可實現高電源抑制比（PSRR）、低抖動靈敏度和低帶外噪聲。插值濾波器還包括數字衰減器、數字軟靜音、三段音調控制和3D音效控制等功能，可通過寄存器進行配置。

5.3 線路和耳機輸出模塊

HPOL/LOL和HPOR/LOR引腳可驅動10kΩ負載，可配置為單聲道單端、單聲道差分或立體聲單線路輸出，輸出包括模擬音量放大器，增益可在6dB至–70dB之間以0.5、1、2或4dB為步長進行調整。

5.4 模擬混音和旁路模塊

混音放大器（MXL、MXR）可對AIN引腳的輸入進行混音，模擬輸入可通過寄存器選擇，并可繞過DAC直接連接到耳機或揚聲器輸出。

5.5 數字增益控制模塊

數字增益控制（DGC）可通過設置寄存器將數字輸入數據放大0、6、12或18dB，適用于播放低電平錄制音頻數據時提高音量。

5.6 3D音效和三段音調控制模塊

3D音效通過對左右聲道數據進行混音和帶通濾波實現，可通過寄存器控制混音比例和帶通濾波器特性。三段音調控制可對低音、中音和高音進行獨立調整，增益范圍為12dB至–12dB。

5.7 數字單聲道混音和零交叉檢測模塊

數字單聲道混音可將立體聲數字數據轉換為混合單聲道數字數據，由寄存器控制。零交叉檢測可在改變模擬音量和數字衰減時減少可聽的拉鏈噪聲。

5.8 短路保護和爆音降噪模塊

短路保護可防止耳機輸出短路時對設備造成損壞，當檢測到短路時，PCM1774會立即關閉短路的放大器。爆音降噪電路可防止在電源開關和設備上下電時產生可聽噪聲。

六、操作說明

6.1 系統時鐘輸入

PCM1774可接受多種頻率的時鐘輸入，無需PLL。系統時鐘分為常見音頻時鐘和特定應用時鐘，采樣率和系統時鐘頻率由寄存器設置決定。

6.2 電源復位和系統復位

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。系統復位可通過設置寄存器(SRST =1)來實現，復位后寄存器數據自動恢復為(SRST =0)。

6.3 電源開關順序

為減少可聽爆音，上電和下電時需要按照特定的寄存器設置順序進行操作。具體的電源開關順序可參考數據手冊中的推薦序列。

6.4 音頻串行接口

音頻串行接口由LRCK、BCK、DIN和DOUT組成，采樣率和左右聲道信息通過LRCK傳輸，DIN接收DAC插值濾波器的串行數據，DOUT傳輸ADC抽取濾波器的串行數據。PCM1774支持主模式和從模式，可通過寄存器選擇。

6.5 音頻數據格式和時序

PCM1774支持I2S、右對齊、左對齊和DSP等多種音頻數據格式，所有格式都要求采用二進制補碼、MSB優先的音頻數據。詳細的時序要求可參考數據手冊中的圖表。

6.6 三線和兩線接口

• 三線接口（SPI）：所有寫操作使用16位數據字，通過MC時鐘將數據時鐘輸入到內部移位寄存器。
• 兩線接口（(I^{2} C)）：PCM1774作為從設備支持(I^{2} C)串行總線和標準的數據傳輸協議，有自己的7位從地址，支持主設備的讀寫操作。

七、用戶可編程模式控制

PCM1774通過多個寄存器實現了豐富的可編程功能，每個寄存器都有其特定的位定義和功能。例如，寄存器64和65用于控制耳機放大器的音量和靜音，寄存器70用于選擇音頻接口格式、數字增益控制和過采樣率等。詳細的寄存器映射和定義可參考數據手冊中的表格。

八、連接圖和推薦外部部件

數據手冊中提供了PCM1774的連接圖和推薦的外部部件，如電容的選擇等。合理選擇外部部件可以提高設備的性能和穩定性。例如，建議在(V_{COM})引腳和AGND之間連接一個4.7μF的電容，以提供干凈的電壓并避免爆音。

九、總結

PCM1774是一款功能強大、性能卓越的低功耗立體聲DAC，適用于便攜式音頻播放器、手機、攝像機、數碼相機等多種便攜式數字音頻應用。其豐富的可編程功能、良好的模擬性能和完善的保護電路，為工程師在音頻設計中提供了更多的靈活性和可靠性。在實際應用中，工程師需要根據具體的需求合理選擇寄存器設置和外部部件，以充分發揮PCM1774的優勢。你在使用PCM1774的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。