深入剖析PCM1804 24位立體聲A/D轉換器：特性、原理與應用

在音頻處理和轉換領域，A/D轉換器扮演著至關重要的角色。今天我們要詳細探討的是德州儀器（Texas Instruments）的PCM1804，一款高性能的24位、192 - kHz立體聲A/D轉換器，它具備全差分模擬輸入，適用于多種音頻應用場景。

文件下載：pcm1804.pdf

一、PCM1804的特性亮點

1. 高精度轉換

PCM1804是一款24位Delta - Sigma立體聲A/D轉換器，能夠提供高精度的音頻轉換。其動態范圍典型值可達112 dB，信噪比（SNR）典型值為111 dB，總諧波失真加噪聲（THD+N）典型值為 - 102 dB，這些出色的指標保證了音頻信號的高質量轉換。

2. 高性能濾波器

它配備了高性能的線性相位抗混疊數字濾波器，通帶波紋僅 ± 0.005 dB，阻帶衰減可達 - 100 dB。這使得它在處理音頻信號時，能夠有效濾除不需要的高頻成分，減少混疊現象，保證音頻信號的純凈度。

3. 全差分輸入與靈活接口

全差分模擬輸入范圍為 ± 2.5 V，這種設計可以提供更好的抗干擾能力和共模抑制比。音頻接口支持主模式或從模式選擇，數據格式包括左對齊、I2S、標準24位和DSD，為不同的音頻系統提供了極大的靈活性。

4. 豐富功能與寬采樣率

具備峰值檢測和高通濾波器（HPF）功能，HPF在 (f{S}=48 kHz) 時 - 3 dB截止頻率為1 Hz。采樣率最高可達192 kHz，系統時鐘支持128 (f{S})、256 (f{S})、384 (f{S})、512 (f{S}) 或768 (f{S})，可以滿足不同音頻應用對采樣率的要求。

5. 低功耗與小封裝

采用雙電源供電，模擬部分為5 V，數字部分為3.3 V，功耗僅為225 mW。并且采用了小巧的28引腳SSOP封裝，適合對空間要求較高的設計。

6. DSD輸出

支持DSD輸出模式，輸出為1位、64 (f_{S})，滿足對DSD音頻格式有需求的應用。

二、工作原理

1. 整體架構

PCM1804主要由帶隙基準、L通道和R通道的全差分架構Delta - Sigma調制器、帶高通濾波器的抽取濾波器以及串行接口電路組成。片內高精度基準配合10 - μF外部電容器，為芯片提供所需的參考電壓，并定義了兩個通道的滿量程電壓范圍。

2. 信號處理流程

輸入信號根據過采樣比控制（OSR[0:2]）以×128、×64和×32的過采樣率進行采樣。Delta - Sigma調制器對輸入信號進行調制，將其轉換為過采樣數據流，同時隨機化調制器輸出，降低空閑音水平。抽取濾波器將過采樣數據流轉換為1 - (f_{S})、24位的數字信號，并去除高頻噪聲成分。高通濾波器去除信號中的直流成分，最后通過串行接口將處理后的信號轉換為時分復用的串行信號輸出。

3. 系統時鐘與控制

系統時鐘支持多種頻率，必須通過SCKI（引腳18）提供。在主模式下，系統時鐘速率由OSR2、OSR1和OSR0引腳選擇；在從模式下，系統時鐘速率自動檢測。此外，芯片還具備上電復位、外部復位和掉電功能，通過RST引腳進行控制。

三、電氣特性與性能曲線

1. 電氣特性

在 (T{A}=25^{circ} C)、(V{CC}=5 ~V)、(V{D D}=3.3 ~V)、主模式、單速模式、(f{S}=48 kHz)、系統時鐘 = 256 (f_{S})、24位數據的條件下，PCM1804的分辨率為24位，音頻數據接口支持標準、I2S、左對齊等格式，數據位長度為24位。其數字輸入輸出的高低電平電壓、電流等參數都有明確的規定，以保證與其他電路的兼容性。

2. 性能曲線

文檔中給出了多種典型性能曲線，包括總諧波失真加噪聲（THD+N）、動態范圍和信噪比（SNR）隨溫度、電源電壓、采樣頻率和信號電平的變化情況。這些曲線可以幫助工程師在不同的工作條件下，評估PCM1804的性能表現，從而優化設計。

四、音頻數據接口

1. 接口模式

支持主模式和從模式，通過S/M（引腳8）進行選擇。在主模式下，PCM1804為串行音頻數據通信提供時序；在從模式下，它從外部控制器接收數據傳輸的時序。但需要注意的是，從模式不適用于DSD模式。

2. 數據格式

支持四種音頻數據格式，由FMT0（引腳6）和FMT1（引腳7）選擇，包括PCM左對齊、PCM I2S、PCM標準24位和DSD格式，滿足不同音頻系統的需求。

3. 接口時序

文檔詳細給出了PCM和DSD模式下的接口時序圖和相關參數，如BCK周期、脈沖持續時間、延遲時間等。工程師在設計電路時，需要嚴格按照這些時序要求進行連接和配置，以確保數據的正確傳輸。

五、應用與設計要點

1. 應用場景

PCM1804適用于多種音頻應用，如AV放大器、MD播放器、數字錄像機、數字混音器和數字錄音機等，能夠為這些設備提供高質量的音頻轉換功能。

2. 電路板設計與布局

在設計電路板時，需要注意以下幾點：

• 電源引腳：數字和模擬電源線路應使用0.1 - μF陶瓷和10 - μF鉭電容就近旁路到相應的接地引腳，以提高ADC的動態性能。建議使用一個公共電源，避免出現閂鎖或電源順序等問題。
• 輸入引腳：在 (V{IN} L+) 和 (V{IN} L-)、(V{IN} R+) 和 (V{IN} R-) 之間使用0.01 - μF薄膜電容，去除Delta - Sigma輸入部分的高頻噪聲。
• 參考和共模電壓輸入：在 (V{REF} L)、(V{REF} R) 與相應的AGNDx之間使用0.1 - μF陶瓷和10 - μF鉭電容，在 (V{COM} L)、(V{COM} R) 與相應的AGNDx之間使用0.1 - μF鉭電容，確保低源阻抗。
• 數據和時鐘引腳：在主模式下，DATA/DSDR、BCK/DSDL和LRCK/DSDBCK引腳具有較大的負載驅動能力。應將緩沖器靠近PCM1804放置，并盡量減小負載電容，以減少數字 - 模擬串擾。
• 系統時鐘：系統時鐘的質量會影響動態性能，需要考慮時鐘的占空比、抖動以及主從模式下時鐘轉換的時間差。
• 復位控制：如果在 (V{REF} L) 和 (V{REF} R) 上使用大于10 μF的電容，需要外部復位控制，并設置相應的延遲時間。

3. 單端輸入應用電路

文檔給出了單端輸入電路的應用圖，該電路的最大信號輸入電壓和差分增益有明確設計，通過合理選擇電阻和電容值，可以實現低阻抗驅動操作和噪聲濾波。

六、總結

PCM1804是一款功能強大、性能出色的立體聲A/D轉換器，具有高精度、高性能、靈活的接口和豐富的功能。在音頻設計中，工程師可以根據其特性和工作原理，結合具體的應用需求，合理進行電路設計和布局，以充分發揮其優勢，實現高質量的音頻轉換。同時，在實際應用中，還需要注意各種電氣特性和接口時序要求，確保系統的穩定性和可靠性。那么，你在使用類似的A/D轉換器時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。