8 通道 PDM 到 I2S/TDM 轉(zhuǎn)換器 ADAU7118 技術(shù)解析

在當(dāng)今的音頻處理領(lǐng)域，對于高質(zhì)量、多通道音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需求日益增長。ADAU7118 作為一款專門的 8 通道 PDM 到 I2S/TDM 轉(zhuǎn)換器，為音頻系統(tǒng)設(shè)計提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。本文將對 ADAU7118 的特性、應(yīng)用、工作原理等方面進(jìn)行詳細(xì)解析，希望能為電子工程師們在音頻設(shè)計中提供有價值的參考。

文件下載：ADAU7118.pdf

一、特性亮點(diǎn)

1. 音頻輸入與處理

• 多通道輸入：具備 8 通道的 PDM 音頻輸入，可連接數(shù)字麥克風(fēng)，為多聲道音頻采集提供了可能。
• 靈活的抽取比：支持 16×、32× 或 64× 的 PDM 到 PCM 音頻數(shù)據(jù)抽取比，能根據(jù)不同的應(yīng)用場景靈活調(diào)整。
• 高分辨率：24 位分辨率可支持高聲壓級（SPL）麥克風(fēng)，保證了音頻數(shù)據(jù)的高精度。
• 出色的信噪比：擁有 126 dB 的 A 加權(quán)信噪比，有效降低噪聲干擾，提升音頻質(zhì)量。
• 寬輸出采樣率：輸出采樣率范圍為 4 kHz 到 192 kHz，滿足多種音頻應(yīng)用的需求。

2. 時鐘與電源管理

• 多樣的時鐘速率：位時鐘速率為輸出采樣率的 64×、128×、192×、256×、384× 或 512×，提供了豐富的時鐘配置選項(xiàng)。
• 自動時鐘生成：具備自動 PDM 時鐘生成功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。
• 自動掉電功能：當(dāng) BCLK 移除時，設(shè)備會自動進(jìn)入掉電狀態(tài)，降低功耗。
• 低功耗設(shè)計：在 48 kHz 頻率采樣率和 1.8 V 電源下，8 通道的 DVDD 工作電流僅為 1.2 mA，典型的 DVDD 關(guān)機(jī)電流小于 5 μA。

3. 接口與控制

• 雙輸出 PDM 時鐘：提供雙輸出 PDM 時鐘，方便驅(qū)動多個 PDM 源。
• 可選控制模式：支持可選擇的 I2C 控制或硬件模式操作，增加了系統(tǒng)的靈活性。
• 豐富的輸出接口：具備從 1.70 V 到 3.63 V 的 I/O 電源電壓和從 1.10 V 到 1.98 V 的 DVDD 電源電壓，支持 Slave I2S 或 TDM 輸出接口，最高支持 TDM - 16，且可配置 TDM 時隙路由和大小。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

ADAU7118 的特性使其在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：

• 麥克風(fēng)陣列：可用于構(gòu)建多麥克風(fēng)陣列，實(shí)現(xiàn)語音識別、音頻采集等功能。
• 移動計算：為移動設(shè)備提供高質(zhì)量的音頻輸入和處理能力。
• 便攜式電子設(shè)備：低功耗設(shè)計使其適合應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品，延長電池續(xù)航時間。
• 消費(fèi)電子：如智能音箱、耳機(jī)等設(shè)備，提升音頻質(zhì)量。
• 專業(yè)電子設(shè)備：在專業(yè)音頻錄制、處理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

三、工作原理

1. 音頻轉(zhuǎn)換

ADAU7118 能夠?qū)⑺膫€立體聲脈沖密度調(diào)制（PDM）比特流轉(zhuǎn)換為一個脈沖編碼調(diào)制（PCM）輸出流。輸入源可以是八個麥克風(fēng)或其他 PDM 源，PCM 音頻數(shù)據(jù)通過串行音頻接口端口以 I2S 或 TDM 格式輸出。

2. 通道映射

每個與 PDM_DATx 引腳相關(guān)的內(nèi)部通道對可以根據(jù)需要禁用，以節(jié)省功耗。

3. 時鐘與同步

• 時鐘要求：設(shè)備需要 BCLK 速率至少為幀同步（FSYNC）采樣率的 64×，也支持 128×、192×、256×、384× 和 512× 的 FSYNC 速率。
• 自動檢測與調(diào)整：ADAU7118 會自動檢測 BCLK 和 FSYNC 之間的比率，并默認(rèn)生成 64 × FSYNC 速率的 PDM 時鐘輸出。如果在寄存器 0x05 中選擇了較低的抽取比，PDM 輸出時鐘速率將相應(yīng)調(diào)整。
• 時鐘恢復(fù)：當(dāng)正常運(yùn)行時，如果位時鐘或幀同步信號被移除，PDM_CLKx 輸出會立即停止，設(shè)備自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)信號恢復(fù)時，設(shè)備會重新鎖定到信號并調(diào)整 PDM_CLKx 輸出，通常需要 4 幀 ± 1 幀來鎖定輸入信號。

4. 電源管理

• 上電與初始化：ADAU7118 需要 IOVDD 和 DVDD 兩個電源，可同時供電，若不同時供電，需先提供 IOVDD，再提供 DVDD。電源穩(wěn)定后，設(shè)備初始化并準(zhǔn)備接受 I2S 時鐘或 I2C 命令。初始化完成且施加 I2S 時鐘后，需要 16 個完整的幀同步周期開始發(fā)送 PDM 時鐘，再過 48 個幀同步周期，PDM 數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在 SDATA 引腳上。
• 掉電模式：可以通過兩種方法將設(shè)備置于掉電狀態(tài)。一種是使用寄存器寫入，另一種是在獨(dú)立模式下使用使能引腳（EN）。從掉電模式恢復(fù)時，重啟時鐘和啟用設(shè)備的順序無關(guān)緊要。

四、引腳配置與功能

五、性能指標(biāo)

1. 電氣特性

• 輸入輸出電壓：數(shù)字輸入高電平（VIH）為 0.7 × IOVDD，低電平（VIL）為 0.3 × IOVDD；輸出高電平（VOH）為 0.85 × IOVDD，低電平（VOL）為 0.1 × IOVDD。
• 輸入泄漏電流：高電平（IIH）最大為 2.5 μA，低電平（IIL）在 0 V 時最大為 1 μA。
• 輸入電容：輸入電容（CI）典型值為 2 pF。
• 輸出驅(qū)動能力：提供 2.5 mA、5 mA、10 mA 和 15 mA 等不同的驅(qū)動強(qiáng)度設(shè)置。

2. 音頻性能

• 動態(tài)范圍：在 20 Hz 到 20 kHz 范圍內(nèi)，輸入 - 60 dB，A 加權(quán)濾波器（rms）下，動態(tài)范圍為 126 dB。
• 信噪比（SNR）：A 加權(quán)濾波器，五階輸入，相對于 0 dBFS 輸出，信噪比為 126 dB。
• 抽取比：抽取比范圍為 16× 到 64×。
• 頻率響應(yīng)：在直流到 0.45 × 輸出采樣率（fS）的范圍內(nèi)，頻率響應(yīng)阻帶為 - 0.1 到 + 0.01 dB，阻帶衰減為 75 dB。
• 群延遲：不同抽取比下，群延遲有所不同，例如在 0.02 fS 輸入信號下，64× 抽取時群延遲為 4.47 FSYNC 周期，32× 抽取時為 5.02 FSYNC 周期，16× 抽取時為 5.83 FSYNC 周期。

3. 時鐘與電源

• 輸出采樣率：輸出采樣率（fS）范圍為 4 kHz 到 192 kHz。
• 位時鐘頻率：位時鐘頻率（fBCLK）范圍為 0.256 MHz 到 24.576 MHz，PDM_CLKx 頻率范圍為 0.256 MHz 到 6.144 MHz。
• 電源電壓：數(shù)字電壓（DVDD 引腳）范圍為 1.10 V 到 1.98 V，I/O 電源電壓（IOVDD 引腳）范圍為 1.70 V 到 3.63 V。
• 電源電流：不同工作狀態(tài)下，電源電流有所不同，例如在 IOVDD = 3.3 V，48 kHz fS，TDM - 8 格式，所有通道驅(qū)動，默認(rèn)驅(qū)動強(qiáng)度，25 pF 電容，僅使用一個 PDM_CLKx 引腳時，I/O 電流為 2 mA；在 DVDD = 1.8 V，8 通道，48 kHz fS 時，數(shù)字電流為 1.2 mA。

六、注意事項(xiàng)

1. 絕對最大額定值

• 電壓限制：DVDD 到地的最大電壓為 1.98 V，IOVDD 到地的最大電壓為 3.63 V，數(shù)字輸入電壓范圍為 GND - 0.3 V 到 IOVDD + 0.3 V。
• 溫度范圍：最大工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 到 + 85°C，結(jié)溫范圍為 - 65°C 到 + 165°C，存儲溫度范圍為 - 65°C 到 + 150°C，焊接溫度（60 秒）為 300°C。
• 靜電放電（ESD）：靜電放電敏感度為 4.5 kV，使用時需采取適當(dāng)?shù)?ESD 預(yù)防措施。

2. 熱阻

熱性能與印刷電路板（PCB）設(shè)計和工作環(huán)境直接相關(guān)，需要仔細(xì)關(guān)注 PCB 熱設(shè)計。

七、總結(jié)

ADAU7118 是一款功能強(qiáng)大、性能出色的 8 通道 PDM 到 I2S/TDM 轉(zhuǎn)換器，具有豐富的特性和靈活的配置選項(xiàng)，適用于多種音頻應(yīng)用場景。在設(shè)計音頻系統(tǒng)時，電子工程師們可以根據(jù)具體需求合理利用其特性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻采集和處理。同時，在使用過程中要注意其絕對最大額定值和熱阻等因素，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和可靠性。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。