ADAU1978四通道模數轉換器：汽車音頻系統的理想之選

在電子工程領域，音頻信號的數字化處理一直是一個重要的研究和應用方向。而模數轉換器（ADC）作為音頻信號從模擬到數字轉換的關鍵器件，其性能的優劣直接影響著整個音頻系統的質量。今天，我們就來深入了解一款性能出色的四通道模數轉換器——ADAU1978。

文件下載：ADAU1978WBCPZ.pdf

一、產品概述

ADAU1978集成了4個高性能模數轉換器（ADC），其交流耦合輸入具有2 V rms性能。這些ADC采用Σ - Δ架構，連續時間前端能夠實現低EMI性能。它具有一個I2C/串行外設接口（SPI）控制端口，微控制器可利用該端口調整音量和許多其它參數。僅采用3.3 V單電源供電，器件內部可產生所需的數字DVDD電源，低功耗架構降低了器件的功耗，并且采用40引腳LFCSP封裝。值得一提的是，該產品通過了汽車應用認證，非常適合汽車音頻系統等對可靠性和性能要求較高的應用場景。

二、產品特性分析

（一）輸入輸出特性

• 四路差分輸入：具備四路2 V rms差分輸入，能滿足多通道音頻信號輸入的需求，適用于立體聲或多聲道音頻系統。
• 輸出靈活：24位立體聲ADC，支持8 kHz至192 kHz的采樣速率，右對齊、左對齊、I2S和TDM模式，主機和從機工作模式，能適應不同系統的接口要求。

（二）電氣性能

• 高動態范圍和低失真：模數轉換器（ADC）動態范圍達109 dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）為 - 95 dB，可有效保證音頻信號的還原度，減少失真。
• 低電磁干擾設計：采用低EMI設計，可減少對周圍電子設備的干擾，同時也能提高自身在復雜電磁環境下的穩定性。

（三）功能特性

• 可選數字高通濾波器：可根據實際需求去除音頻信號中的直流成分或低頻噪聲，提高音頻信號的質量。
• 數字音量控制：支持數字音量控制，方便通過軟件進行音量調節，增強了系統的靈活性。
• 軟件可控功能：軟件可控無雜音靜音功能和軟件關斷功能，便于系統管理和節能。

（四）時鐘和控制特性

• 片內PLL：利用片內鎖相環（PLL）獲得主時鐘，可從外部時鐘輸入或幀時鐘（采樣速率時鐘）獲得主時鐘，當使用幀時鐘時，系統中無需使用獨立的高頻主時鐘，簡化了系統設計。
• I2C/SPI可控：I2C/SPI可控，可提高靈活性，方便與微控制器等主控設備進行通信和配置。

三、技術規格解讀

（一）模擬性能規格

在模擬性能方面，滿量程交流差分輸入電壓為2 V rms，滿量程單端輸入電壓為1 V rms，輸入共模電壓為1.5 V dc。差分輸入電阻為28.6 kΩ，單端輸入電阻為14.3 kΩ。ADC分辨率為24 Bits，在輸入為1 kHz， - 60 dBFS（0 dBFS = 2 V rms輸入）時，動態范圍（A加權）線路輸入典型值為109 dB；在輸入為1 kHz， - 1 dBFS（0 dBFS = 2 V rms輸入）時，總諧波失真加噪聲（THD + N）典型值為 - 95 dB。這些參數表明ADAU1978在模擬信號處理方面具有較高的精度和性能。

（二）數字輸入/輸出規格

數字輸入高電壓為2.0 V，數字輸入低電壓為0.8 V，輸入電容最大值為5 pF。輸出高電平輸出電壓（IoH = 1 mA）為IOVDD - 0.60 V，低電平輸出電壓（Iol = 1 mA）最大值為0.4 V。這些規格保證了其與數字電路的兼容性。

（三）電源規格

除非另有說明，AVDD = 3.3 V，DVDD = 1.8 V，IOVDD = 3.3 V，fs = 48 kHz（主模式）。DVDD由片內低壓差（LDO）調節器產生，典型值為1.8 V，AVDDx范圍為3.0 - 3.6 V，IOVDD范圍為1.62 - 3.6 V。在不同工作模式和采樣速率下，各電源的電流和功耗也有所不同，設計時需根據實際情況進行電源設計。

四、工作原理剖析

（一）電源和基準電壓源

ADAU1978采用3.3 V單電源供電，模擬和升壓轉換器各有電源輸入引腳，這些引腳需通過100 nF陶瓷芯片電容去耦到AGND，且電容應盡可能靠近引腳以降低噪聲拾取。在ADC所在的PCB上，必須提供至少10 μF的鋁電解電容。數字內核的電源電壓（DVDD）利用內部低壓差調節器產生，典型DVDD輸出為1.8 V，需通過一個100 nF陶瓷電容和一個10 μF電容去耦。模擬模塊的基準電壓在內部產生，通過VREF引腳輸出，AVDDx為3.3 V時，該引腳的典型電壓為1.5 V。

（二）上電復位序列

器件要求在AVDDx引腳上從外部提供3.3 V單電源，內部產生DVDD（1.8 V）。復位期間，DVDD調節器禁用以降低功耗。當 $overline{PD} / overline{RST}$ 引腳變為高電平后，器件使能DVDD調節器。內部ADC和數字內核復位由內部 $POR$ 信號（上電復位）電路控制，它會監控DVDD電平。只有DVDD達到1.2 V且 $POR$ 信號釋放后，器件才會離開復位狀態。DVDD建立時間取決于外部電容的充電時間和AVDDx上升斜坡時間。

（三）PLL和時鐘

內置模擬PLL以便為內部ADC提供無抖動的主時鐘，PLL必須根據適當的輸入時鐘頻率進行編程。通過PLL_CONTROL寄存器0x01設置PLL，寄存器0x01的CLK_S位用于設置PLL的時鐘源，可以是MCLKIN引腳或LRCLK引腳（從模式）。在LRCLK模式下，PLL支持32 kHz到192 kHz的采樣速率；在MCLK輸入模式下，MCS位必須設置為MCLKIN引腳需要的輸入時鐘頻率。

五、模擬輸入與ADC功能

（一）模擬輸入

ADAU1978具有4路差分模擬輸入，支持交流耦合和直流耦合輸入信號。在多數音頻應用中，可通過耦合電容消除信號的直流成分。從各路輸入到AGND的典型輸入電阻約為14 kΩ。在48 kHz采樣速率時，高通濾波器具有1.4 Hz、6 dB/倍頻程的截止頻率，該截止頻率與采樣速率呈比例變化。直流耦合應用必須確保共模直流電壓不超過額定限值，滿量程ADC輸出（0 dBFS）所需的輸入通常為2 V rms差分。

（二）ADC功能

4個Σ - Δ ADC通道配置為兩個立體聲對，具有可配置的差分/單端輸入，以32 kHz到192 kHz的標稱采樣速率工作。包括片上數字抗混疊濾波器，具有79 dB阻帶衰減和線性相位響應。數字輸出通過兩個串行數據輸出引腳、一個通用幀時鐘（LRCLK）和一個位時鐘（BCLK）提供，也可使用TDM模式之一，單條TDM數據線最多支持16個通道。使用幅度較小的輸入信號時，對各通道可提供10位可編程數字增益補償，但要注意避免過度補償。此外，ADC還有直流失調校準算法，可消除ADC的系統性直流失調。

（三）ADC求和模式

四個ADC可分組為單個立體聲ADC或單個單聲道ADC，以提高應用的信噪比（SNR）。有2通道求和模式和4通道求和模式兩種選項。在2通道求和模式下，通道1和通道2 ADC數據合并，從SDATAOUT1引腳輸出，通道3和通道4 ADC數據合并，從SDATAOUT2引腳輸出，SNR提高3 dB；在4通道求和模式下，通道1至通道4 ADC數據合并，從SDATAOUT1引腳輸出，SNR提高6 dB。

六、串行音頻數據輸出端口與控制端口

（一）串行音頻數據輸出端口

串行音頻端口包括BCLK、LRCLK、SDATAOUT1和SDATAOUT2四個引腳，可作為主機或從機，設置為立體聲模式（2通道模式）或TDM多通道模式，支持I2S、左對齊（LJ）和右對齊（RJ）等常見音頻格式。

（二）控制端口

支持2線I2C模式或4線SPI模式，用于設置器件的內部寄存器。I2C和SPI模式均允許讀寫寄存器，全部寄存器均為8位寬，寄存器起始地址為0x00，結束地址為0x1A。默認情況下，ADAU1978工作在I2C模式，但通過將CLATCH引腳拉低三次，就可以將器件置于SPI模式。

七、寄存器詳解

文檔中詳細介紹了各個寄存器的功能和位設置，包括主電源和軟件復位寄存器、PLL控制寄存器、模塊電源控制和串行端口控制寄存器等。例如主電源和軟件復位寄存器（M_POWER）用于電源管理控制，可使能升壓調節器、麥克風偏置、PLL、帶隙基準電壓源、ADC和LDO調節器等；PLL控制寄存器（PLL_CONTROL）用于設置PLL的相關參數，如時鐘源、倍頻系數等。了解這些寄存器的功能和使用方法，對于正確配置和使用ADAU1978至關重要。

八、典型應用與注意事項

（一）典型應用

ADAU1978適用于汽車音頻系統、有源噪聲消除系統等。在汽車音頻系統中，其高性能的ADC可將模擬音頻信號轉換為高質量的數字信號，經過處理后通過音頻功放輸出到揚聲器，為用戶提供優質的音頻體驗。

（二）注意事項

• ESD防護：該器件是ESD（靜電放電）敏感器件，盡管具有專利或專有保護電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應當采取適當的ESD防范措施，如佩戴防靜電手環、使用防靜電工作臺等。
• 電源設計：電源設計要嚴格按照規格要求進行，確保電源的穩定性和純凈度，避免電源噪聲對器件性能產生影響。
• 時鐘配置：PLL的配置要根據實際的采樣速率和系統需求進行設置，確保時鐘信號的穩定和準確。

綜上所述，ADAU1978以其出色的性能、豐富的功能和靈活的配置，為電子工程師在音頻信號處理領域提供了一個優秀的解決方案。在實際應用中，工程師們需要深入了解其各項特性和技術規格，合理進行設計和配置，才能充分發揮該器件的優勢，為音頻系統帶來更好的性能表現。大家在使用ADAU1978的過程中遇到過哪些有趣的問題或挑戰呢？歡迎在評論區留言分享。