探索PCM1793：24位音頻DAC的卓越性能與應用指南

在音頻處理領域，數字 - 模擬轉換器（DAC）的性能對音質起著關鍵作用。今天，我們來深入了解德州儀器（Texas Instruments）的PCM1793，一款24位、192kHz采樣的高級分段音頻立體聲DAC。

文件下載：pcm1793.pdf

產品概述

PCM1793是一款單芯片CMOS集成電路，采用小巧的28引腳SSOP封裝，集成了立體聲數字 - 模擬轉換器和支持電路。它運用TI先進的分段DAC架構，實現了出色的動態性能，并提高了對時鐘抖動的容忍度。該芯片支持高達200kHz的采樣率，提供平衡電壓輸出，方便用戶在外部優化模擬性能。

關鍵特性

高精度與高性能

• 分辨率：24位分辨率，能夠提供細膩、精準的音頻信號轉換。
• 模擬性能：動態范圍達113dB，總諧波失真加噪聲（THD+N）低至0.001%，滿量程輸出為2.1V rms（在后置放大器處），差分電壓輸出為3.2V p-p，確保了高質量的音頻輸出。
• 數字濾波器：8倍過采樣數字濾波器，阻帶衰減為 - 82dB，通帶紋波僅為±0.002dB，有效減少了噪聲和失真。

靈活的數據處理

• 采樣頻率：支持10kHz至200kHz的采樣頻率，系統時鐘可自動檢測128、192、256、384、512或768 fs。
• 數據格式：接受16位、20位和24位音頻數據，支持標準、I2S和左對齊等數據格式，滿足不同應用的需求。

其他特性

• 數字去加重：提供數字去加重功能，優化音頻信號的頻率響應。
• 軟靜音：支持軟靜音操作，實現無咔嗒聲的靜音切換。
• 零標志輸出：每個輸出都有零標志，方便監測音頻信號狀態。
• 雙電源供電：采用5V模擬電源和3.3V數字電源，5V耐壓數字輸入，增強了系統的穩定性。

應用領域

PCM1793的高性能使其適用于多種音頻應用場景，包括但不限于：

• 音頻設備：A/V接收器、DVD播放器、數字多軌錄音機等。
• 樂器：各種電子樂器，提供高質量的音頻輸出。
• 顯示設備：HDTV接收器，提升音頻體驗。
• 汽車音頻：汽車音響系統，滿足車內高品質音頻需求。

電氣特性

絕對最大額定值

在使用PCM1793時，需要注意其絕對最大額定值，以避免對芯片造成永久性損壞。例如，電源電壓范圍為 - 0.3V至6.5V，數字輸入電壓范圍為 - 0.3V至6.5V等。

電氣參數

在典型工作條件下（TA = 25°C，VCC = 5V，VDD = 3.3V，fS = 44.1kHz，系統時鐘 = 256 fs，24位數據），PCM1793的各項電氣參數表現出色。例如，THD+N在fS = 44.1kHz時低至0.001%，動態范圍在不同采樣頻率下均可達113dB。

功能描述

系統時鐘與復位

• 系統時鐘：PCM1793需要系統時鐘來驅動數字插值濾波器和高級分段DAC調制器。系統時鐘通過SCK輸入（引腳5），芯片具有自動檢測系統時鐘頻率的功能。為了獲得最佳性能，建議使用低相位抖動和噪聲的時鐘源，如TI的PLL1700系列多時鐘發生器。
• 復位功能：芯片具備上電復位和外部復位功能。上電復位在VDD > 2V時啟用，初始化序列需要1024個系統時鐘周期；外部復位通過RST輸入（引腳6）實現，將RST引腳置為邏輯0至少20ns，然后置為邏輯1，啟動初始化序列。

音頻數據接口

• 串行接口：音頻接口為3線串行端口，包括LRCK（引腳1）、BCK（引腳2）和DATA（引腳3）。BCK作為串行音頻位時鐘，在其上升沿將串行數據時鐘輸入到PCM1793；LRCK為串行音頻左右字時鐘。
• 數據格式：支持標準右對齊、I2S和左對齊等音頻數據格式，通過FMT2、FMT1和FMT0引腳選擇。所有格式均要求二進制補碼、MSB優先的音頻數據。

其他功能

• 零檢測：當檢測到左聲道或右聲道的音頻輸入數據連續1024個fS為零時，相應的零標志引腳（ZEROL或ZEROR）置為高電平。
• 軟靜音：將MUTE引腳（引腳4）置為高電平，模擬輸出以 - 0.5dB的步長過渡到雙極零電平，實現無咔嗒聲的靜音。
• 去加重：芯片具有針對32kHz、44.1kHz和48kHz采樣頻率的去加重濾波器，通過DEMP1和DEMP0引腳選擇去加重功能。

應用電路設計

模擬輸出

• 輸出電平與LPF：DAC差分電壓輸出在0dB（滿量程）時為3.2V p-p，LPF的電壓輸出由VOUT = 3.2Vp-p × (Rf / Ri) 計算得出，其中Rf為LPF中的反饋電阻，Ri為輸入電阻。
• 運算放大器選擇：建議使用OPA2134或5532類型的運算放大器用于LPF電路，以獲得指定的音頻性能。運算放大器的動態性能（如增益帶寬、建立時間和壓擺率）對LPF部分的音頻動態性能有重要影響。

PCB布局

• 接地與隔離：推薦使用接地平面，通過分割或切割電路板將模擬和數字部分隔離。PCM1793的數字I/O引腳應朝向接地平面分割處，以實現與數字音頻接口和控制信號的短而直接的連接。
• 電源供應：數字和模擬部分建議使用單獨的電源，以防止數字電源上的開關噪聲干擾模擬電源。如果使用公共5V電源，應在模擬和數字5V電源連接之間放置電感（RF扼流圈、鐵氧體磁珠）。

旁路與去耦電容

各種尺寸的去耦電容均可使用，無需特殊公差。所有電容應盡可能靠近PCM1793的相應引腳，以減少周圍電路的噪聲拾取。較大值的電容建議使用專為高保真音頻應用設計的鋁電解電容，較小值的電容可使用金屬膜或單片陶瓷電容。

后置LPF設計

通過合理選擇后置LPF電路中的運算放大器和電阻，可以實現PCM1793的出色性能。為了獲得0.001% THD+N、113dB信噪比的音頻性能，需要考慮運算放大器的THD+N和輸入噪聲性能。建議使用二階或三階后置LPF，其截止頻率取決于應用場景。

總結

PCM1793以其卓越的性能、靈活的功能和廣泛的應用領域，成為音頻處理領域的優秀選擇。在設計應用電路時，需要注意PCB布局、電源供應、電容選擇和后置LPF設計等方面，以充分發揮其性能優勢。你在使用PCM1793或其他音頻DAC時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。