德州儀器PCM3000/3001：18位立體聲音頻編解碼器的深度剖析

在音頻處理領域，一款性能卓越且成本效益良好的編解碼器（Codec）是設計者夢寐以求的。德州儀器的PCM3000和PCM3001就是這樣的優質選擇，它們以單芯片集成了模擬到數字（ADC）和數字到模擬（DAC）的轉換功能，為各類音頻應用提供了強大支持。

文件下載：pcm3001.pdf

一、產品概述

特點總結

• 高精度集成：單芯片內集成18位?Σ ADC和DAC，支持16或18位輸入/輸出數據，可接受七種不同格式，為音頻處理提供了多樣化選擇。
• 高性能表現
  • 立體聲ADC：單端電壓輸入，64倍過采樣數字濾波器。通帶紋波僅為±0.05 dB，阻帶衰減達 -65 dB，THD+N為 -88 dB，SNR高達94 dB，動態范圍同樣為94 dB，還配備數字高通濾波器。
  • 立體聲DAC：單端電壓輸出，模擬低通濾波器和8倍過采樣數字濾波器。通帶紋波±0.17 dB，阻帶衰減35 dB，THD+N -90 dB，SNR 98 dB，動態范圍97 dB。
• 特殊功能（PCM3000）：具備數字去加重、256級數字衰減、軟靜音和數字環回等功能，進一步增強了音頻處理的靈活性。
• 廣泛的時鐘支持：采樣率范圍為4 kHz至48 kHz，系統時鐘支持256 fs、384 fs和512 fs。
• 電源與封裝優勢：采用單5V電源供電，封裝為小巧的SSOP - 28，適合對空間有要求的設計。

應用場景

PCM3000/3001適用于多種音頻相關應用，如采樣鍵盤、數字混音器、迷你磁盤錄音機、硬盤錄音機、卡拉OK系統、基于DSP的汽車立體聲、DAT錄音機以及視頻會議系統等。

二、技術細節

電氣特性

在 (T{A}=25^{circ} C)、(V{D D}=V{C C}=5 ~V)、(f{S}=44.1 kHz)、(SYSCLK =384 f_{S}) CLKIO輸入且為18位數據的條件下，其電氣特性表現出色。

• 數字輸入/輸出：輸入邏輯電平和電流有明確規范，輸出邏輯電平在不同負載電流下也能穩定輸出。時鐘頻率方面，采樣頻率范圍為4 kHz至48 kHz，系統時鐘頻率根據不同倍數關系有相應的取值范圍。
• ADC特性：分辨率為18位，直流精度方面，通道間增益失配在±1%至±5% FSR之間，增益誤差±2%至±5% FSR，增益漂移±20 ppm/°C FSR等。動態性能上，THD+N、動態范圍、信噪比等指標都展現出良好的音頻處理能力。
• DAC特性：同樣為18位分辨率，直流精度和動態性能也有不錯的表現，如THD+N在滿量程時可達 -90 dB，動態范圍97 dB等。
• 模擬輸入/輸出：模擬輸入電壓范圍、中心電壓、輸入阻抗等都有明確參數，模擬輸出的電壓范圍、中心電壓和負載阻抗也有相應要求。

引腳配置與功能

PCM3000和PCM3001的引腳配置有一定差異，但主要功能相似。例如，AGND1和AGND2分別為ADC和DAC的模擬地，BCKIN為位時鐘輸入，CLKIO為緩沖振蕩器輸出或外部時鐘輸入等。針對PCM3000，可通過三線串行接口對特殊功能和數據格式進行編程；而PCM3001則可通過引腳對數據格式進行編程。

典型性能曲線

文檔中給出了ADC和DAC部分的典型性能曲線，包括THD+N隨溫度、電源電壓、系統時鐘和采樣頻率以及輸出/輸入數據分辨率的變化情況，還有SNR和動態范圍隨電源電壓的變化曲線等。這些曲線為工程師在不同工作條件下評估和優化產品性能提供了重要參考。

濾波器性能

ADC和DAC內部的濾波器性能也十分關鍵。ADC的抽取濾波器、高通濾波器和抗混疊濾波器，以及DAC的數字濾波器、去加重濾波器和模擬低通濾波器都有詳細的性能曲線和參數說明，如通帶、阻帶、紋波和衰減等。

三、工作原理

ADC部分

PCM3000/3001的ADC由帶隙基準、立體聲單端轉差分轉換器、全差分5階?Σ調制器、抽取濾波器（含數字高通）和串行接口電路組成。內部高精度基準結合兩個外部電容提供ADC所需的參考電壓，單端轉差分電壓轉換器節省了外部電路的空間和成本，全差分信號處理架構則提供了寬動態范圍和良好的電源抑制性能。輸入信號以64倍過采樣率采樣，5階?Σ噪聲整形器將量化噪聲移出音頻頻段，抽取濾波器將1位數據流轉換為18位數據字，并去除量化噪聲和直流分量。

DAC部分

DAC基于5級幅度量化器和3階噪聲整形器，將過采樣輸入數據轉換為5級?Σ格式。相比典型的1位（2級）?Σ調制器，5級?Σ調制器具有更好的穩定性和更低的時鐘抖動靈敏度。結合內部8倍插值濾波器，在256 (f{S}) 系統時鐘下的總過采樣率為 (64 f{S})。

四、應用與布局考慮

典型連接

文檔給出了PCM3000/3001的典型連接圖，包括電源、音頻輸入輸出、時鐘、控制等部分的連接方式，為實際應用提供了參考。

電源旁路與接地

數字和模擬電源線路應通過0.1 -μF陶瓷電容和10 -μF鉭電容旁路到相應地引腳，以提高ADC和DAC性能。推薦使用一個公共電源，若使用單獨電源，需在設備附近的兩個電源之間連接背對背二極管以避免鎖存問題。同時，模擬地和數字地不內部連接，建議使用單一接地平面，并將所有接地引腳通過低阻抗連接到模擬接地平面。

電壓輸入與參考

輸入建議使用2.2 -μF至10 -μF的鉭或鋁電解電容作為交流耦合電容，可增加輸入電壓范圍。(V{REF}) 輸入建議在 (V{REF} L)、(V_{REF} R) 和AGND1之間連接4.7 -μF至10 -μF的鉭電容，以確保低源阻抗。

時鐘與復位控制

系統時鐘的質量會影響ADC和DAC的動態性能，需注意時鐘的占空比、抖動和閾值電壓。通電時，系統時鐘、位時鐘（BCKIN）和字時鐘（LCRIN）必須同時提供。若 (V_{REF}) 和VCOM使用大于4.7 μF的電容，需要外部復位控制并設置相應延遲時間。

五、總結

德州儀器的PCM3000和PCM3001音頻編解碼器憑借其高性能、豐富的功能和良好的成本效益，在音頻處理領域具有很強的競爭力。從電氣特性到工作原理，再到應用和布局考慮，各個方面都為工程師提供了詳細的信息，有助于工程師在實際設計中充分發揮其優勢，實現高質量的音頻處理方案。你在使用這類編解碼器的過程中遇到過哪些有趣的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗。