德州儀器PCM1870：低功耗立體聲ADC的卓越之選

在當(dāng)今便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用領(lǐng)域，低功耗、高性能的音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）至關(guān)重要。德州儀器（TI）的PCM1870就是這樣一款出色的產(chǎn)品，它為便攜式音頻設(shè)備提供了強大的音頻處理能力。下面我們就來詳細(xì)了解一下PCM1870的特點、性能和應(yīng)用。

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一、PCM1870的特性亮點

1. 豐富的模擬前端

PCM1870具備多種模擬輸入模式，包括立體聲單端輸入（帶多路復(fù)用器）、單聲道差分輸入，還有立體聲可編程增益放大器以及麥克風(fēng)升壓放大器和偏置電路。這種多樣化的輸入模式使得它能夠適應(yīng)不同的音頻信號源，滿足各種應(yīng)用場景的需求。

2. 出色的模擬性能

其動態(tài)范圍達(dá)到了90 dB，能夠有效地捕捉音頻信號的細(xì)節(jié)，減少噪聲干擾，為用戶帶來清晰、純凈的音頻體驗。

3. 寬電源電壓范圍

數(shù)字I/O部分和數(shù)字核心部分的電源電壓范圍為1.71 V至3.6 V，模擬部分的電源電壓范圍為2.4 V至3.6 V。這種寬電壓范圍設(shè)計，使得PCM1870在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，增加了其在各種設(shè)備中的適用性。

4. 低功耗設(shè)計

PCM1870在功耗方面表現(xiàn)出色。在錄制模式下，不同的采樣頻率和聲道設(shè)置下功耗都很低。例如，在48 kHz、立體聲模式下，功耗僅為13 mW；在8 kHz、單聲道模式下，功耗為5.3 mW；在全功率關(guān)斷模式下，功耗更是低至3.3 μW。低功耗設(shè)計有助于延長便攜式設(shè)備的電池續(xù)航時間。

5. 靈活的采樣頻率

采樣頻率范圍為5 kHz至50 kHz，能夠滿足大多數(shù)音頻應(yīng)用的采樣需求，為音頻處理提供了足夠的靈活性。

6. 自動電平控制（ALC）

在錄音過程中，ALC功能可以自動擴(kuò)展小輸入信號并壓縮大輸入信號，確保錄制的音頻信號不會出現(xiàn)飽和或音量過低的情況，提高錄音質(zhì)量。

7. 單時鐘輸入操作

PCM1870可以在沒有鎖相環(huán)（PLL）的情況下接受各種頻率的輸入時鐘，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。它支持常見的音頻時鐘，如256 fS/384 fS，以及多種特定應(yīng)用的時鐘頻率。

8. 可編程功能

通過寄存器控制，PCM1870可以實現(xiàn)多種可編程功能，如數(shù)字軟靜音、各模塊的電源開關(guān)控制、模擬輸入增益調(diào)節(jié)、麥克風(fēng)輸入升壓、ALC參數(shù)設(shè)置、三頻段音調(diào)控制和3D音效等。這些可編程功能為音頻設(shè)計工程師提供了極大的靈活性，能夠根據(jù)具體需求對音頻進(jìn)行個性化處理。

9. 降噪電路

內(nèi)置的Pop噪聲降低電路可以有效減少音頻信號中的噪聲，提高音頻的純凈度。

10. 小巧的封裝形式

提供24 - QFN（4 mm × 5 mm）和24 - DSBGA（2.49 mm × 3.49 mm）兩種封裝形式，節(jié)省了電路板空間，適合便攜式設(shè)備的設(shè)計需求。

11. 寬工作溫度范圍

工作溫度范圍為 - 40°C至85°C，能夠在各種惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，保證了設(shè)備的可靠性。

二、電氣特性與性能

1. 音頻數(shù)據(jù)

PCM1870支持16位分辨率的音頻數(shù)據(jù)，音頻數(shù)據(jù)接口格式包括I2S、左對齊、右對齊和DSP格式，數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制補碼、MSB優(yōu)先的方式傳輸。采樣頻率范圍為5 kHz至50 kHz，能夠滿足不同音頻應(yīng)用的需求。

2. 數(shù)字輸入/輸出

數(shù)字輸入/輸出邏輯與CMOS兼容，輸入邏輯電平、電流以及輸出邏輯電平都有明確的規(guī)定。系統(tǒng)時鐘的頻率根據(jù)電源電壓的不同而有所變化，在不同的工作條件下都能保證穩(wěn)定的信號傳輸。

3. 動態(tài)性能

全量程輸入電壓為2.828 Vp - p（0 dB），信噪比（SNR）和動態(tài)范圍表現(xiàn)出色，能夠有效地捕捉音頻信號的細(xì)節(jié)，減少噪聲干擾。

4. 濾波器特性

具有多種濾波器，如抽取濾波器、高通濾波器和陷波濾波器。抽取濾波器的通帶和阻帶性能良好，能夠有效地去除高頻噪聲；高通濾波器可以根據(jù)需要選擇不同的截止頻率，去除輸入信號中的直流分量；陷波濾波器可以去除特定頻率的噪聲，提高音頻質(zhì)量。

5. 電源和電源電流

電源電壓范圍明確，不同的工作模式下電源電流和功耗也不同。通過合理控制各模塊的電源開關(guān)，可以進(jìn)一步降低功耗，提高設(shè)備的能效。

三、引腳分配與功能

PCM1870的引腳分配清晰，每個引腳都有明確的功能。例如，AGND為模擬地，AIN1L/R和AIN2L/R為模擬輸入引腳，AOL和AOR為麥克風(fēng)放大器輸出引腳，BCK為串行位時鐘，DOUT為串行音頻數(shù)據(jù)輸出等。詳細(xì)的引腳功能說明有助于工程師進(jìn)行正確的電路連接和設(shè)計。

四、典型性能曲線

文檔中給出了PCM1870的多種典型性能曲線，如抽取濾波器的通帶和阻帶特性曲線、高通濾波器的通帶特性曲線、三頻段音調(diào)控制曲線以及ADC在不同增益下的SNR曲線等。這些曲線直觀地展示了PCM1870在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為工程師在設(shè)計過程中進(jìn)行性能評估和優(yōu)化提供了重要參考。

五、操作說明

1. 系統(tǒng)時鐘輸入

PCM1870可以接受多種頻率的輸入時鐘，時鐘用于數(shù)字濾波器、自動電平控制和Delta - Sigma調(diào)制器的時鐘信號。通過寄存器設(shè)置可以確定采樣率和系統(tǒng)時鐘頻率。需要注意的是，特定應(yīng)用時鐘的采樣率可能會有一些采樣誤差。

2. 上電和復(fù)位

上電復(fù)位電路在 (V_{DD}=1.2 ~V) 時輸出復(fù)位信號，將內(nèi)部電路清零。系統(tǒng)復(fù)位可以通過設(shè)置寄存器85（SRST）來實現(xiàn)，所有寄存器將自動清零，電路恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)。在進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位時，需要注意模擬輸出可能會出現(xiàn)可聽的Pop噪聲。

3. 電源開關(guān)順序

為了減少可聽的Pop噪聲，在電源開啟和關(guān)閉時需要按照特定的寄存器設(shè)置順序進(jìn)行操作。文檔中給出了推薦的上電和下電順序，工程師在設(shè)計過程中應(yīng)嚴(yán)格遵循這些順序，以確保設(shè)備的正常工作。

4. 音頻串行接口

音頻串行接口由LRCK、BCK和DOUT組成。LRCK用于表示采樣率和左右聲道信息，DOUT用于傳輸ADC抽取濾波器的串行數(shù)據(jù)，BCK用于在其高低電平轉(zhuǎn)換時傳輸DOUT上的串行音頻數(shù)據(jù)。BCK和LRCK應(yīng)與音頻系統(tǒng)時鐘同步，PCM1870支持主模式和從模式接口格式，可以通過寄存器84（MSTR）進(jìn)行選擇。

5. 音頻數(shù)據(jù)格式和時序

PCM1870支持I2S、右對齊、左對齊和DSP格式的音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制補碼、MSB優(yōu)先的方式傳輸。默認(rèn)格式為I2S。文檔中詳細(xì)給出了各種數(shù)據(jù)格式的時序圖和參數(shù)要求，工程師在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的數(shù)據(jù)格式，并確保時序符合要求。

6. 三線接口（SPI）

在SPI模式下，所有的串行控制端口寫操作使用16位數(shù)據(jù)字。文檔中給出了控制數(shù)據(jù)字的格式和寫入操作的功能時序圖，以及詳細(xì)的時序要求。工程師在使用SPI接口時，應(yīng)嚴(yán)格按照這些要求進(jìn)行操作，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。

7. 兩線接口（I2C）

PCM1870作為I2C總線的從設(shè)備，支持I2C標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。它有7位的從地址，其中前六位是工廠預(yù)設(shè)的，最后一位可以由用戶通過ADR端子定義。文檔中詳細(xì)介紹了I2C模式下的控制端子功能、從地址設(shè)置、數(shù)據(jù)包協(xié)議以及讀寫操作的時序圖和要求。工程師在使用I2C接口時，應(yīng)熟悉這些內(nèi)容，確保與主設(shè)備的通信正常。

六、用戶可編程模式控制

PCM1870的寄存器映射詳細(xì)列出了各個寄存器的功能和位定義。通過對這些寄存器的設(shè)置，可以實現(xiàn)各種可編程功能，如模塊的電源開關(guān)控制、增益調(diào)節(jié)、音頻數(shù)據(jù)格式選擇、自動電平控制參數(shù)設(shè)置等。工程師在設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)具體需求對這些寄存器進(jìn)行合理設(shè)置，以實現(xiàn)最佳的音頻性能。

七、連接圖與推薦外部部件

文檔中給出了PCM1870的連接圖和推薦的外部部件，如電容和電阻的取值范圍。合理選擇外部部件可以提高PCM1870的性能和穩(wěn)定性，工程師在設(shè)計電路板時應(yīng)參考這些推薦值進(jìn)行選擇。

八、電路板設(shè)計和布局考慮

在電路板設(shè)計和布局過程中，需要注意以下幾點：

1. 電源引腳旁路電容

數(shù)字和模擬電源供應(yīng)線應(yīng)通過0.1 - 4.7 μF的陶瓷電容或電解電容旁路到相應(yīng)的接地引腳，并且這些電容應(yīng)盡可能靠近引腳放置，以提高ADC的動態(tài)性能。

2. 模擬和數(shù)字接地

模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）內(nèi)部不連接，為了避免數(shù)字噪聲反饋到模擬地，它們應(yīng)具有非常低的阻抗，并且在器件下方直接連接，以減少噪聲問題。

3. 模擬輸入引腳

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R為單端輸入引腳，AIN1L和AIN1R還可以用作單聲道差分輸入。這些引腳集成了抗混疊低通濾波器，但如果濾波器性能不足，可能需要添加適當(dāng)?shù)耐獠靠够殳B濾波器。未使用的引腳應(yīng)保持開路，不要通過寄存器設(shè)置選擇開路引腳。

4. 放大器輸出和輸入引腳

當(dāng)AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R用作高增益麥克風(fēng)輸入時，AOL和AOR可能會有較大的直流偏移。建議在AOL/AOR和PGINL/PGINR之間放置一個1 - 10 μF的隔直電容。如果應(yīng)用不受直流偏移影響，則可以不使用這些電容。

5. (V_{COM})引腳

建議在 (V{COM}) 和AGND之間連接一個1 - 4.7 μF的電容，以確保ADC公共電壓的低源阻抗。該電容應(yīng)盡可能靠近 (V{COM}) 引腳放置，以減少ADC公共電壓的動態(tài)誤差。

6. 時鐘和數(shù)據(jù)輸出引腳

在主模式下，BCK和DOUT具有足夠的負(fù)載驅(qū)動能力。但如果BCK和DOUT線路較長，建議在PCM1870附近放置一個緩沖器，并盡量減小負(fù)載電容，以減少數(shù)字和模擬電路之間的串?dāng)_，提高ADC的動態(tài)性能并降低功耗。

九、應(yīng)用領(lǐng)域

PCM1870適用于多種便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用，如便攜式音頻播放器、手機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、個人媒體播放器（PMP）/數(shù)字多媒體廣播（DMB）以及語音記錄器等。其低功耗、高性能和豐富的功能使其成為這些應(yīng)用的理想選擇。

總的來說，德州儀器的PCM1870是一款功能強大、性能出色的低功耗立體聲ADC，為便攜式數(shù)字音頻應(yīng)用提供了全面的解決方案。電子工程師在設(shè)計音頻設(shè)備時，可以充分利用PCM1870的各種特性和功能，打造出高質(zhì)量、低功耗的音頻產(chǎn)品。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的設(shè)計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。