深入剖析PCM1604/PCM1605：高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的技術(shù)解析

在音頻處理領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的性能直接影響著音頻質(zhì)量。PCM1604和PCM1605作為兩款CMOS單片集成電路，為音頻處理帶來了出色的解決方案。雖然它們不推薦用于新設(shè)計，但對于理解音頻DAC技術(shù)仍具有重要價值。

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產(chǎn)品概述

PCM1604和PCM1605內(nèi)部集成了六個24位音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用Burr - Brown公司的增強型多級Δ - Σ架構(gòu)，具備4階噪聲整形和8級幅度量化功能，能實現(xiàn)優(yōu)異的信噪比性能和對時鐘抖動的高耐受性。這兩款產(chǎn)品引腳與PCM1600、PCM1601兼容，采用LQFP - 48（PCM1604）和MQFP - 48（PCM1605）封裝。

關(guān)鍵特性

1. 高精度與高性能

• 高分辨率：支持24位分辨率，能提供更細膩的音頻信號轉(zhuǎn)換。
• 出色的模擬性能：動態(tài)范圍典型值達105dB，信噪比典型值為104dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）典型值為0.0018%，滿量程輸出典型值為3.1Vp - p。
• 采樣頻率范圍廣：支持10kHz至200kHz的采樣頻率，能適應(yīng)多種音頻應(yīng)用需求。

  2. 靈活的數(shù)據(jù)處理

• 多數(shù)據(jù)格式支持：可接受16、18、20和24位音頻數(shù)據(jù)，支持標準、I2S和左對齊等行業(yè)標準音頻數(shù)據(jù)格式。
• 用戶可編程功能豐富：包括0dB至 - 63dB的數(shù)字衰減（0.5dB/步）、軟靜音、零檢測靜音、數(shù)字去加重、數(shù)字濾波器滾降選擇（銳或慢）等功能。

  3. 電源與接口特性

• 雙電源供電：采用 + 5V模擬電源和 + 3.3V數(shù)字電源，數(shù)字邏輯輸入具有5V容限。
• 系統(tǒng)時鐘靈活：系統(tǒng)時鐘支持128/192/256/384/512/768fS。

技術(shù)規(guī)格

1. 電氣參數(shù)

• 分辨率：24位。
• 數(shù)據(jù)格式：音頻數(shù)據(jù)接口格式用戶可選擇標準、I2S和左對齊；數(shù)據(jù)位長度可選擇16、18、20、24位，采用MSB - First、二進制補碼形式。
• 采樣頻率：10kHz至200kHz。
• 系統(tǒng)時鐘頻率：128、192、256、384、512、768fS。

  2. 動態(tài)性能

• THD + N：在不同輸出電平（0dB和 - 60dB）和采樣頻率（44.1kHz和96kHz）下有不同表現(xiàn)，如在V = 0dB、f = 44.1kHz時，THD + N典型值為0.0018%。
• 動態(tài)范圍：EIAJ、A加權(quán)，fS = 44.1kHz時典型值為105dB。
• 信噪比：A加權(quán)，fS = 44.1kHz和96kHz時典型值均為104dB。
• 通道分離度：A加權(quán)，fS = 44.1kHz時典型值為103dB，fS = 96kHz時典型值為102dB。

  3. 直流精度

• 增益誤差：± 1.0%的滿量程范圍（FSR）。
• 雙極性零誤差：在雙極性零處VO = 0.5V時，誤差為± 30mV。

  4. 濾波器性能

• 數(shù)字濾波器：8倍過采樣插值濾波器，阻帶衰減 - 82dB，通帶紋波± 0.002dB。
• 模擬濾波器：在20kHz時頻率響應(yīng)為 - 0.03dB，在44kHz時為 - 0.20dB。

  5. 電源要求

• 電壓范圍：VDD為 + 3.0V至 + 3.6V，VCC為 + 4.5V至 + 5.5V。
• 電源電流：不同采樣頻率下有不同值，如fS = 44.1kHz時，IDD典型值為20mA，ICC典型值為40mA。
• 功耗：fS = 44.1kHz時典型值為266mW，fS = 96kHz時典型值為349mW。

引腳配置與功能

1. 引腳分類

• 模擬引腳：包括模擬地（AGND）、模擬電源（VCC）和音頻電壓輸出（VOUT）等。
• 數(shù)字引腳：如系統(tǒng)時鐘輸入（SCKI）、系統(tǒng)時鐘輸出（SCKO）、串行音頻數(shù)據(jù)輸入（DATA1 - 3）、串行控制接口引腳（MDI、MDO、MC、ML）等。
• 其他引腳：如零數(shù)據(jù)標志（ZERO）、測試引腳（TEST）等。

  2. 引腳功能

• 零數(shù)據(jù)標志：ZERO1 - 6可作為對應(yīng)通道的零數(shù)據(jù)標志，也可作為通用輸出引腳。
• 系統(tǒng)時鐘：SCKI輸入系統(tǒng)時鐘，SCKO可輸出緩沖后的時鐘，其頻率可通過控制寄存器編程設(shè)置。
• 音頻數(shù)據(jù)接口：通過LRCK、BCK和DATA1 - 3實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的同步傳輸。
• 串行控制接口：通過MDI、MDO、MC和ML實現(xiàn)對芯片內(nèi)部模式寄存器的編程和讀取。

系統(tǒng)時鐘與復(fù)位功能

1. 系統(tǒng)時鐘輸入

PCM1604和PCM1605需要系統(tǒng)時鐘來驅(qū)動數(shù)字插值濾波器和多級Δ - Σ調(diào)制器。系統(tǒng)時鐘輸入頻率為128、192、256、384、512或768fS，不同采樣頻率對應(yīng)不同的系統(tǒng)時鐘頻率。為獲得最佳性能，應(yīng)使用低相位抖動和噪聲的時鐘源，如Burr - Brown的PLL1700多時鐘發(fā)生器。

2. 系統(tǒng)時鐘輸出

SCKO輸出為系統(tǒng)時鐘輸入的緩沖版本，可工作在全速率（fSCKI）或半速率（fSCKI / 2），其輸出頻率可通過控制寄存器9的CLKD位編程設(shè)置，輸出引腳可通過CLKE位啟用或禁用。

3. 復(fù)位功能

• 上電復(fù)位：系統(tǒng)時鐘輸入在VDD = 2.0V之前至少有一個時鐘周期，VDD > 2.0V時，上電復(fù)位功能啟用，初始化序列需要1024個系統(tǒng)時鐘。
• 外部復(fù)位：通過RST輸入（引腳37）可實現(xiàn)外部復(fù)位，將RST引腳置為邏輯‘0’至少20ns，再置為邏輯‘1’，開始1024個系統(tǒng)時鐘周期的初始化序列。

音頻接口與控制

1. 音頻串行接口

音頻串行接口由LRCK、BCK、DATA1、DATA2和DATA3組成，BCK為串行音頻位時鐘，用于將數(shù)據(jù)時鐘輸入到串行移位寄存器；LRCK為串行音頻左右字時鐘，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)時鐘同步，理想情況下應(yīng)從系統(tǒng)時鐘輸入或輸出派生。

2. 音頻數(shù)據(jù)格式

支持標準、I2S和左對齊等行業(yè)標準音頻數(shù)據(jù)格式，通過控制寄存器9的FMT[2:0]位選擇，默認數(shù)據(jù)格式為24位標準格式，所有格式均要求二進制補碼、MSB - First音頻數(shù)據(jù)。

3. 串行控制接口

串行控制接口是一個4線同步串行端口，異步于串行音頻接口，用于對片上模式寄存器進行編程和讀取。通過MDI輸入數(shù)據(jù)，MDO輸出數(shù)據(jù)，MC為串行位時鐘，ML為控制端口鎖存時鐘。

4. 寄存器操作

• 寄存器寫操作：使用16位數(shù)據(jù)字，通過設(shè)置Read/Write（R/W）位為‘0’表示寫操作，IDX[6:0]設(shè)置寄存器索引，D[7:0]包含要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。
• 單寄存器讀操作：將R/W位設(shè)置為‘1’，通過Control Register 11的REG[6:0]位設(shè)置要讀取的寄存器索引。
• 自動增量讀操作：通過設(shè)置Control Register 11的INC位為‘1’啟用，可順序讀取多個寄存器。

應(yīng)用領(lǐng)域

PCM1604和PCM1605適用于多種音頻處理場景，如集成A/V接收器、DVD電影和音頻播放器、HDTV接收器、汽車音頻系統(tǒng)、高端PC的DVD附加卡、數(shù)字音頻工作站以及其他多通道音頻系統(tǒng)等。

在實際設(shè)計中，電子工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇系統(tǒng)時鐘源、配置寄存器參數(shù)，并注意引腳的連接和信號的時序要求，以充分發(fā)揮PCM1604和PCM1605的性能優(yōu)勢。你在使用這類音頻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。