PCM175x-Q1 24位音頻數(shù)模轉換器：設計指南與應用解析

在音頻處理領域，數(shù)模轉換器（DAC）的性能直接影響著音頻系統(tǒng)的音質表現(xiàn)。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的 PCM175x-Q1 系列 24 位、192kHz 采樣增強型多級 delta-sigma 音頻數(shù)模轉換器，它在汽車和音頻設備中有著廣泛的應用。

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一、PCM175x-Q1 產(chǎn)品概述

PCM175x-Q1 系列設備是 CMOS 單片集成電路，采用小巧的 16 引腳 SSOP 封裝，集成了立體聲數(shù)模轉換器和支持電路。該系列轉換器運用 TI 增強型多級 delta-sigma 架構，結合 4 階噪聲整形和 8 級幅度量化技術，實現(xiàn)了出色的動態(tài)性能，并提高了對時鐘抖動的容忍度。它能接受 16 至 24 位的行業(yè)標準音頻數(shù)據(jù)格式，方便與音頻 DSP 和解碼器芯片接口。

二、產(chǎn)品特性亮點

2.1 汽車級應用資質

PCM175x-Q1 通過 AEC-Q100 認證，適用于汽車應用。其工作溫度范圍為 -40°C 至 105°C（設備溫度等級 2），人體模型（HBM）靜電放電分類等級為 2，充電設備模型（CDM）靜電放電分類等級為 C4B，具備良好的可靠性和抗干擾能力。

2.2 卓越的音頻性能

• 高分辨率：擁有 24 位分辨率，能提供細膩的音頻細節(jié)。
• 動態(tài)范圍與信噪比：在 (V_{CC}=5V) 條件下，動態(tài)范圍和信噪比典型值均達 106dB，總諧波失真加噪聲（THD+N）典型值為 0.002%，滿量程輸出典型值為 4VPP，確保了高質量的音頻輸出。
• 數(shù)字濾波器：配備 4x 和 8x 過采樣數(shù)字濾波器，阻帶衰減達 -50dB，通帶紋波為 ±0.04dB，有效提升音頻信號的處理效果。

2.3 靈活的功能控制

• 硬件控制（PCM1754-Q1）：支持 (I^{2}S) 和 16 位字、右對齊格式，具備 44.1kHz 數(shù)字去加重、軟靜音功能，以及 L 通道和 R 通道公共輸出的零標志。
• 時鐘支持：采樣頻率范圍為 5kHz 至 200kHz，系統(tǒng)時鐘支持 128fS、192fS、256fS、384fS、512fS、768fS、1152fS 并能自動檢測。

2.4 電源與封裝優(yōu)勢

采用 5V 單電源供電，功耗較低。同時，采用小巧的 16 引腳 SSOP 無鉛封裝，節(jié)省電路板空間。

三、應用領域廣泛

PCM175x-Q1 適用于多種音頻相關應用，包括汽車信息娛樂系統(tǒng)和儀表盤、A/V 接收器、HDTV 接收器、汽車音響系統(tǒng)，以及其他需要 24 位音頻的應用場景。

四、技術細節(jié)剖析

4.1 系統(tǒng)時鐘與復位

• 系統(tǒng)時鐘輸入：設備需要系統(tǒng)時鐘來驅動數(shù)字插值濾波器和多級 delta-sigma 調(diào)制器，系統(tǒng)時鐘通過 SCK 輸入（引腳 16）。為獲得最佳性能，建議使用低相位抖動和噪聲的時鐘源，如 TI 的 PLL170x 系列多時鐘發(fā)生器。
• 上電復位功能：當系統(tǒng)時鐘激活且 (V{CC}>3V)（典型值 2.2V 至 3.7V）時，上電復位功能啟用，初始化序列需要 1024 個系統(tǒng)時鐘周期。復位期間，模擬輸出被強制為雙極性零電平（(0.5V{CC})），復位結束后，內(nèi)部寄存器在 (1/f_{S}) 周期內(nèi)初始化。

4.2 音頻串行接口

• 接口組成：由 3 線同步串行端口組成，包括 LRCK（引腳 3）、BCK（引腳 1）和 DATA（引腳 2）。BCK 為音頻數(shù)據(jù)位時鐘輸入，DATA 為音頻數(shù)據(jù)數(shù)字輸入，LRCK 用于 L 通道和 R 通道音頻數(shù)據(jù)鎖存使能。
• 數(shù)據(jù)格式：PCM1753-Q1 支持右對齊、(I^{2}S) 和左對齊等行業(yè)標準音頻數(shù)據(jù)格式；PCM1754-Q1 支持 (I^{2}S) 和 16 位字右對齊音頻數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式通過控制寄存器中的格式位選擇。

4.3 零標志功能

• PCM1754-Q1：ZEROA 引腳（引腳 11）為 L 通道和 R 通道公共零標志引腳，當 L 通道和 R 通道數(shù)據(jù)在 1024 個采樣周期內(nèi)保持為 0 時，該引腳置為邏輯 1 狀態(tài)。
• PCM1753-Q1：每個通道的零檢測獨立進行，當某通道數(shù)據(jù)在 1024 個采樣周期內(nèi)保持為 0 時，該通道的零標志引腳（ZEROL 或 ZEROR）置為邏輯 1 狀態(tài)。零標志輸出可用于控制外部靜音電路或作為狀態(tài)指示器。

4.4 模擬輸出

PCM1753-Q1 包含兩個獨立輸出通道 (V{OUT}L) 和 (V{OUT}R)，為不平衡輸出，每個通道典型情況下可驅動 4VPP 到 5kΩ 交流耦合負載。輸出放大器偏置到直流共模電壓（(0.5V_{CC})），并集成 RC 連續(xù)時間濾波器，可降低 DAC 輸出的帶外噪聲能量，但通常仍需外部低通濾波器進一步抑制帶外噪聲。

五、編程與寄存器配置

5.1 軟件控制（PCM1753-Q1）

PCM1753-Q1 可通過軟件控制內(nèi)部寄存器實現(xiàn)多種可編程功能。串行控制接口為 3 線異步串行端口，包括 MD（引腳 13）、MC（引腳 14）和 ML（引腳 15）。寄存器寫操作使用 16 位數(shù)據(jù)字，通過設置 IDX[6:0] 確定寄存器地址，D[7:0] 包含要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。

5.2 寄存器功能

• 數(shù)字衰減控制：每個 DAC 通道可獨立設置數(shù)字衰減，衰減范圍為 0dB 至 -63dB，以 0.5dB 為步長。
• 軟靜音控制：通過 MUT 位控制軟靜音功能，實現(xiàn)無噗聲靜音和取消靜音操作。
• 過采樣率控制：通過 OVER 位控制 delta-sigma DAC 的過采樣率，根據(jù)系統(tǒng)時鐘和采樣頻率選擇合適的過采樣率。
• 其他功能控制：包括 DAC 操作控制、數(shù)字去加重功能控制、音頻數(shù)據(jù)格式控制、數(shù)字濾波器滾降控制等。

六、應用設計要點

6.1 基本連接與電源旁路

在典型應用中，需使用必要的電源旁路和去耦組件，推薦使用圖中所示的組件值。對于 SCK、LRCK、BCK 和 DATA 輸入，建議使用 22Ω 至 100Ω 的串聯(lián)電阻，與 PCB 雜散電容和設備輸入電容形成低通濾波器，減少高頻噪聲和干擾。

6.2 模擬輸出濾波器設計

由于 delta-sigma DAC 會產(chǎn)生帶外噪聲，需要使用外部低通濾波器。推薦使用二階巴特沃斯濾波器的多反饋（MFB）電路結構，可降低對無源組件變化的敏感度。同時，建議使用高質量的音頻運算放大器，如 TI 的 OPA2353 和 OPA2134 雙運算放大器。

6.3 性能測試

使用 Audio Precision System Two Cascade 音頻測量系統(tǒng)或等效設備進行關鍵動態(tài)性能參數(shù)測試，如總諧波失真加噪聲（THD+N）、動態(tài)范圍、空閑通道信噪比（SNR）等。

七、電源與布局建議

7.1 電源供應

PCM175x-Q1 設計工作在 4.5V 至 5.5V 電源電壓范圍內(nèi)，應確保電源干凈，使用高質量的去耦電容減少噪聲。建議為數(shù)字和模擬部分分別提供電源，若使用公共 5V 電源，需在模擬和數(shù)字電源連接之間放置電感（RF 扼流圈、鐵氧體磁珠），避免數(shù)字開關噪聲耦合到模擬電路。

7.2 布局設計

• 布局準則：推薦使用接地平面，將模擬和數(shù)字部分通過電路板分割或切口隔離。設備的數(shù)字 I/O 引腳應朝向接地平面分割處，以實現(xiàn)與數(shù)字音頻接口和控制信號的短而直接的連接。
• 布局示例：提供了單電源 PCB 布局示例，展示了如何合理安排電源和電路組件。

八、總結

PCM175x-Q1 系列音頻數(shù)模轉換器憑借其出色的性能、豐富的功能和靈活的控制方式，為音頻工程師提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在設計過程中，工程師需要充分考慮系統(tǒng)時鐘、音頻接口、電源供應和布局等方面的因素，以確保設備發(fā)揮最佳性能。同時，通過合理的測試和優(yōu)化，能夠滿足不同應用場景對音頻質量的要求。你在使用類似音頻 DAC 時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。