探索PCM1680：24位音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的領(lǐng)域中，PCM1680以其出色的性能和豐富的功能脫穎而出。本文將深入探討PCM1680的特點(diǎn)、參數(shù)、接口、模式控制等方面，為電子工程師在音頻設(shè)計(jì)中提供全面的參考。

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一、PCM1680簡介

PCM1680是一款CMOS單片集成電路，采用小巧的SSOP - 28封裝，內(nèi)部集成了八個(gè)24位音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）及相關(guān)支持電路。它運(yùn)用了德州儀器（TI）的增強(qiáng)型多級ΔΣ架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的信噪比性能和對時(shí)鐘抖動(dòng)的高容忍度。其應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了集成A/V接收器、DVD播放器、HDTV接收器、汽車音響系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。

二、PCM1680的特點(diǎn)

2.1 高精度與高性能

• 24位分辨率：提供了極高的音頻精度，能夠呈現(xiàn)豐富的音頻細(xì)節(jié)。
• 出色的模擬性能：
  • 動(dòng)態(tài)范圍：典型值可達(dá)105 dB，意味著可以清晰地捕捉到音頻信號中的微弱和強(qiáng)烈部分。
  • 信噪比（SNR）：典型值為105 dB，有效減少了背景噪聲的干擾，使音頻更加純凈。
  • 總諧波失真加噪聲（THD + N）：典型值為0.002%，確保輸出的音頻信號與原始信號高度一致，失真極小。
  • 滿量程輸出：典型值為3.9 VPP，為音頻輸出提供了足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

2.2 靈活的濾波與采樣

• 4x/8x過采樣插值濾波器：
  • 阻帶衰減：達(dá)到 - 50 dB，有效抑制了帶外噪聲。
  • 通帶紋波：僅 ± 0.04 dB，保證了通帶內(nèi)音頻信號的穩(wěn)定性。
• 采樣頻率范圍：支持5 kHz至200 kHz的采樣頻率，能夠適應(yīng)多種音頻應(yīng)用場景。
• 系統(tǒng)時(shí)鐘：支持128 fS、192 fS、256 fS、384 fS、512 fS、768 fS或1152 fS的系統(tǒng)時(shí)鐘，并具備自動(dòng)檢測功能。

2.3 豐富的用戶可編程功能

• 靈活的音頻數(shù)據(jù)格式：支持右對齊、I2S和左對齊等多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)音頻數(shù)據(jù)格式，以及16 - 24位的音頻數(shù)據(jù)長度選擇。
• 數(shù)字衰減：提供兩種模式選擇，可在0 dB至 - 63 dB以0.5 dB/步調(diào)節(jié)，或在0 dB至 - 100 dB以1 dB/步調(diào)節(jié)。
• 軟靜音功能：實(shí)現(xiàn)無雜音的音頻靜音效果。
• 數(shù)字去加重：可對音頻信號進(jìn)行去加重處理。
• 數(shù)字濾波器滾降選擇：用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇尖銳或緩慢的數(shù)字濾波器滾降特性。

2.4 單電源供電與封裝兼容性

• 單電源供電：采用5 V模擬和5 V數(shù)字單電源供電，簡化了電源設(shè)計(jì)。
• 封裝兼容性：引腳與PCM1780兼容，方便工程師進(jìn)行產(chǎn)品升級和替換。

三、電氣特性與性能參數(shù)

3.1 絕對最大額定值

在使用PCM1680時(shí)，需要嚴(yán)格遵守其絕對最大額定值，以避免對器件造成永久性損壞。例如，電源電壓范圍為 - 0.3至6.5 V，輸入電壓和電流也有相應(yīng)的限制，工作溫度范圍為 - 40至 + 110 °C等。

3.2 推薦工作條件

為了確保PCM1680的最佳性能，建議在推薦工作條件下使用。如模擬和數(shù)字電源電壓均為4.75至5.25 V，數(shù)字輸入邏輯家族為TTL，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率在8.192至36.864 MHz之間，采樣時(shí)鐘頻率為32至192 kHz等。

3.3 電氣性能參數(shù)

在 (T{A}= + 25^{circ}C)，(V{CC}=V{DD}=5 V)，(f{S}=48 kHz)，系統(tǒng)時(shí)鐘 = 512 fS，24位數(shù)據(jù)的條件下，PCM1680展現(xiàn)出了優(yōu)秀的電氣性能。例如，其分辨率為24位，支持多種音頻數(shù)據(jù)格式，動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、THD + N等性能指標(biāo)都表現(xiàn)出色。不同采樣頻率和系統(tǒng)時(shí)鐘條件下，這些性能指標(biāo)會有所變化，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

四、接口與控制

4.1 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

PCM1680需要系統(tǒng)時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)數(shù)字插值濾波器和多級ΔΣ調(diào)制器。系統(tǒng)時(shí)鐘通過SCK（引腳5）輸入，常見音頻采樣率對應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率有多種選擇，如采樣頻率為8 kHz時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可以是1.024 MHz（128 fS）等。同時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘的脈沖持續(xù)時(shí)間有最低要求，為了獲得最佳性能，建議使用低相位抖動(dòng)和噪聲的時(shí)鐘源，TI的PLL170x多時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

4.2 音頻串行接口

PCM1680的音頻串行接口由6線同步串行端口組成，包括LRCK、BCK和DATA1 - DATA4。BCK作為串行音頻位時(shí)鐘，將數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到音頻接口串行移位寄存器；LRCK為串行音頻左右字時(shí)鐘，用于將串行數(shù)據(jù)鎖存到內(nèi)部寄存器。LRCK和BCK必須與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，并且建議從系統(tǒng)時(shí)鐘輸入SCK派生而來。

4.3 音頻數(shù)據(jù)格式與定時(shí)

該器件支持右對齊、I2S和左對齊等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)音頻數(shù)據(jù)格式，通過控制寄存器9中的FMT[2:0]位進(jìn)行選擇，默認(rèn)數(shù)據(jù)格式為24位左對齊。所有數(shù)據(jù)格式都要求二進(jìn)制補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)。每個(gè)DATA引腳攜帶兩個(gè)音頻通道，左聲道數(shù)據(jù)總是先于右聲道數(shù)據(jù)。

4.4 過采樣率控制

PCM1680會根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率自動(dòng)控制ΔΣ DAC的過采樣率。如使用1152 - fS、768 - fS或512 - fS的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，過采樣率為64x；使用384 - fS或256 - fS的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，過采樣率為32x；使用192 - fS或128 - fS的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，過采樣率為16x。

4.5 零標(biāo)志

PCM1680有兩個(gè)零標(biāo)志引腳ZERO1和ZERO2，通過控制寄存器13中的AZRO[1:0]位選擇零標(biāo)志組合。當(dāng)指定通道的左右聲道輸入數(shù)據(jù)在1024個(gè)采樣周期內(nèi)都為邏輯0時(shí)，零標(biāo)志引腳將置為邏輯1；只要有一個(gè)通道的輸入數(shù)據(jù)包含邏輯1，零標(biāo)志引腳就會立即置為邏輯0。同時(shí)，可通過設(shè)置控制寄存器10的ZREV位來反轉(zhuǎn)零標(biāo)志輸出的極性。

4.6 模式控制

PCM1680具有許多可編程功能，可通過SPI或I2C接口進(jìn)行軟件控制。通過MSEL（引腳14）可以選擇這兩種接口模式，不同接口模式下，相關(guān)引腳的功能會有所變化。例如，在SPI模式下，MD（引腳4）用于寫入模式寄存器數(shù)據(jù)，MC（引腳3）為串行位時(shí)鐘控制端口，MS（引腳2）用于啟用模式控制；在I2C模式下，相關(guān)引腳的功能則有所不同。

五、模式控制寄存器

5.1 用戶可編程模式控制

PCM1680的用戶可編程功能通過控制寄存器實(shí)現(xiàn)，這些功能包括數(shù)字衰減控制、軟靜音控制、DAC操作控制、音頻數(shù)據(jù)格式控制、數(shù)字濾波器滾降控制等。每個(gè)功能都有相應(yīng)的復(fù)位默認(rèn)條件和寄存器索引，工程師可以根據(jù)需要對這些寄存器進(jìn)行編程。

5.2 寄存器定義

對各個(gè)控制寄存器的定義進(jìn)行詳細(xì)說明，例如寄存器1 - 6和16 - 17用于數(shù)字衰減控制，寄存器7和18用于軟靜音控制等。每個(gè)寄存器的具體位定義和功能也有明確規(guī)定，如數(shù)字衰減控制中，ATx[7:0]位用于設(shè)置衰減級別，不同的DAMS位設(shè)置會影響衰減范圍和步長。

六、模擬輸出與應(yīng)用信息

6.1 模擬輸出

PCM1680有八個(gè)獨(dú)立的輸出通道 (V{OUT}1 - V{OUT}8)，這些通道為不平衡輸出，在 (V{CC}=5 V) 時(shí)，每個(gè)通道典型情況下可驅(qū)動(dòng)3.9 VPP的電壓到5 - kΩ的交流負(fù)載。內(nèi)部輸出放大器偏置在直流公共電壓 (0.5 × V{CC})，并且包含一個(gè)RC連續(xù)時(shí)間濾波器，可減少DAC輸出處的帶外噪聲能量，但通常還需要外部低通濾波器來進(jìn)一步衰減帶外噪聲。

6.2 應(yīng)用信息

• 連接圖：提供了基本連接圖，包括必要的電源旁路和去耦組件。建議使用TI的PLL170x生成系統(tǒng)時(shí)鐘輸入SCK，并在SCK、LRCK、BCK、DATA1 - DATA4等信號線上使用22 Ω至100 Ω的串聯(lián)電阻，以形成低通濾波器，減少高頻噪聲和發(fā)射。
• 電源與接地：PCM1680需要5 V的模擬和數(shù)字電源，推薦使用線性穩(wěn)壓器提供5 V電源。同時(shí)，需要四個(gè)電容進(jìn)行電源旁路，且應(yīng)盡量靠近器件放置。
• DAC輸出濾波器電路：由于ΔΣ DAC會產(chǎn)生帶外噪聲，需要結(jié)合片內(nèi)和外部低通濾波來優(yōu)化轉(zhuǎn)換器性能。推薦使用二階巴特沃斯濾波器的多反饋（MFB）電路結(jié)構(gòu)，如TI的OPA2134和OPA2353雙運(yùn)算放大器可用于這些有源濾波器。
• PCB布局指南：建議采用接地平面，并將模擬和數(shù)字部分通過分割或切割電路板進(jìn)行隔離。PCM1680的數(shù)字I/O引腳應(yīng)朝向接地平面的分割處，以實(shí)現(xiàn)與數(shù)字音頻接口和控制信號的短而直接連接。同時(shí)，建議為數(shù)字和模擬部分分別使用獨(dú)立的電源，若使用公共5 V電源，應(yīng)在模擬和數(shù)字電源連接之間放置電感以避免數(shù)字開關(guān)噪聲耦合到模擬電路。

七、總結(jié)與思考

PCM1680憑借其高精度、高性能、豐富的可編程功能和靈活的接口，為音頻設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的音頻需求，合理設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、音頻數(shù)據(jù)格式、數(shù)字濾波器等參數(shù)，同時(shí)注意電源、接地和PCB布局等方面的設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮PCM1680的優(yōu)勢。那么，在你的音頻設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，是否會考慮使用PCM1680呢？你在使用過程中可能會遇到哪些挑戰(zhàn)，又該如何解決呢？歡迎在評論區(qū)分享你的想法和經(jīng)驗(yàn)。