德州儀器PCM2704/5/6/7：USB立體聲音頻DAC的技術剖析

在音頻設備的設計領域，高性能、集成化的音頻DAC芯片是關鍵組件。德州儀器（TI）的PCM2704、PCM2705、PCM2706和PCM2707系列芯片，憑借其出色的性能和豐富的功能，在USB音頻應用中占據了重要地位。本文將深入剖析這些芯片的特點、性能參數、工作模式以及應用電路，為電子工程師在音頻設計中提供有價值的參考。

文件下載：pcm2706.pdf

一、芯片概述

PCM2704/5/6/7是TI推出的單芯片USB立體聲音頻DAC，集成了USB接口、時鐘發生器、16位Delta - Sigma立體聲DAC等功能模塊。它支持多種采樣率（32、44.1、48 kHz），具備出色的模擬性能，適用于多種USB音頻設備。

1.1 主要特性

• 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 1.1規范，并通過USB - IF認證。部分可編程描述符，采用自適應等時傳輸進行播放，支持總線供電或自供電。
• 時鐘與電源：片上時鐘發生器使用單12 - MHz時鐘源。單電源供電，總線供電典型值為5 V，自供電典型值為3.3 V。
• DAC性能：16位Delta - Sigma立體聲DAC，在5 V（總線供電）和3.3 V（自供電）下具有良好的模擬性能，如THD + N低至0.006%（(R_{L}>10 k Omega)，自供電），SNR達98 dB，動態范圍為98 dB。
• 多功能設計：最多支持八個HID接口（取決于型號和設置），具備暫停標志，支持帶SCMS的S/PDIF輸出，部分型號還支持外部ROM接口、串行編程接口和I2S接口。

1.2 封裝形式

• PCM2704/5采用28 - 引腳SSOP封裝。
• PCM2706/7采用32 - 引腳TQFP封裝。

二、電氣特性與性能參數

2.1 絕對最大額定值

芯片的絕對最大額定值規定了其在各種電氣參數下的安全工作范圍，如電源電壓、輸入電壓、電流等。例如，(V_{BUS})的范圍為 - 0.3 V至6.5 V，輸入電流（除電源引腳外）為±10 mA等。超出這些范圍可能會導致芯片永久性損壞。

2.2 推薦工作條件

推薦工作條件是保證芯片正常、穩定工作的參數范圍。如(V{BUS})在總線供電時為4.35 - 5.25 V，自供電時(V{CCP})、(V{CCL})、(V{CCR})、(V_{DD})為3 - 3.6 V，輸入時鐘頻率為11.994 - 12.006 MHz等。

2.3 典型性能曲線

從典型性能曲線中可以直觀地了解芯片在不同條件下的性能表現。例如，THD + N隨溫度、電源電壓、采樣頻率的變化曲線，以及動態范圍和SNR與溫度、電源電壓、采樣頻率的關系曲線等。這些曲線有助于工程師在設計時評估芯片在不同工作環境下的性能。

三、工作模式與功能實現

3.1 時鐘與復位

芯片的USB和音頻功能需要一個12 - MHz（±500 ppm）的時鐘，可以由內置振蕩器使用12 - MHz晶體諧振器產生。芯片具有內部上電復位電路，當(V_{DD})超過2 V（典型值）時，內部復位開始工作，約700 μs后內部復位釋放。

3.2 操作模式選擇

• 電源配置選擇/主機檢測：PSEL引腳用于選擇電源源，影響配置描述符。在總線供電時，HOST引腳決定最大功耗；自供電時，HOST需連接到(V_{BUS})以檢測連接狀態。
• 功能選擇（PCM2706/7）：FSEL引腳決定FUNC0 - FUNC3和DOUT的功能，可選擇I2S接口或S/PDIF輸出。

3.3 USB接口與設備描述符

控制數據和音頻數據通過D + 和D - 引腳傳輸，D + 需用1.5 - kΩ（±5%）電阻上拉。設備描述符、配置描述符和字符串描述符部分可通過外部ROM、SPI或內部掩碼ROM進行修改。

3.4 設備配置與端點

芯片具有三個接口和三個端點，分別實現不同的功能。

• 接口0（默認/控制接口）：用于音頻控制，支持音量控制和靜音控制。
• 接口1（等時輸出接口）：用于音頻流數據輸出，支持多種數據格式和采樣率。
• 接口2（HID接口）：用于中斷數據輸入，可報告按鍵狀態。
• 端點：包括控制端點（EP #0）、等時輸出音頻數據流端點（EP #2）和HID端點（EP #5）。

3.5 數字音頻接口

• S/PDIF輸出：將等時輸出數據編碼為S/PDIF輸出，遵循IEC - 60958標準，支持版權管理。
• I2S接口輸出（PCM2706/7）：通過FSEL引腳啟用，提供16位I2S格式的數字輸出/輸入數據。

四、描述符數據修改

描述符數據可通過外部ROM（PCM2704/6）或SPI（PCM2705/7）進行修改，但需滿足特定條件，如PSEL和HOST引腳狀態。修改時需注意數據格式和順序，以及與實際應用電路配置的一致性。

4.1 外部ROM描述符

使用外部ROM描述符時，通過I2C接口傳輸數據。數據包括供應商ID、產品ID、產品字符串、供應商字符串、電源屬性、最大功耗和輔助HID使用ID等。

4.2 串行編程接口（PCM2705/7）

支持SPI接口進行描述符編程和HID狀態設置，通過特定的寄存器和時序實現數據傳輸。

五、典型應用電路

文檔中給出了三種典型應用電路，分別適用于USB揚聲器、遠程耳機和DSP環繞處理放大器。這些電路展示了芯片在不同應用場景下的連接方式和外圍元件的選擇。

5.1 USB揚聲器電路

適用于總線供電、500 - mA的應用，通過功率放大器驅動揚聲器。電路中需要注意電容、電阻的選擇，以及電源和信號的濾波處理。

5.2 遠程耳機電路

用于總線供電、100 - mA的耳機，支持多個HID功能。同樣，合理的元件選擇和布局對于保證音質和穩定性至關重要。

5.3 DSP環繞處理放大器電路

適用于自供電、支持I2S和SPI接口的應用。在這種電路中，需要注意與其他數字信號處理模塊的接口匹配和信號傳輸。

六、總結與思考

PCM2704/5/6/7系列芯片以其豐富的功能和出色的性能，為USB音頻設備的設計提供了強大的支持。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的設計需求，合理選擇芯片型號和工作模式，正確配置描述符數據，并優化應用電路的設計。同時，要注意芯片的電氣特性和性能參數，確保設備在各種工作條件下都能穩定、可靠地運行。

在設計過程中，你是否遇到過描述符數據修改不生效的問題？或者在選擇外圍元件時，如何平衡音質和成本的關系？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。