探索PCM1750：高性能音頻A/D轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在音頻處理領(lǐng)域，模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著音頻質(zhì)量和系統(tǒng)性能。PCM1750作為一款雙18位CMOS音頻A/D轉(zhuǎn)換器，以其出色的性能和特性，成為眾多電子工程師在音頻設(shè)計中的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下PCM1750的相關(guān)特性、工作原理和應(yīng)用要點。

文件下載：PCM1750U/1K.pdf

特性亮點

高性能轉(zhuǎn)換

PCM1750是一款雙18位低功耗CMOS音頻A/D轉(zhuǎn)換器，具備快速的4.5μs最小轉(zhuǎn)換時間（含采樣/保持），能夠高效地將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其極低的最大總諧波失真加噪聲（THD+N）達(dá)到 -88dB（無需外部調(diào)整），在音頻轉(zhuǎn)換中能提供高保真的音質(zhì)。

集成功能

該轉(zhuǎn)換器集成了內(nèi)部參考和雙采樣/保持功能，為設(shè)計帶來了便利。它支持兩相采樣，±2.75V的音頻輸入范圍，能夠適應(yīng)多種音頻信號源。此外，它還具備每通道4倍過采樣率的能力，運行在±5V電源下，最大功耗僅為300mW，采用緊湊的28引腳塑料DIP或SOIC封裝，節(jié)省了電路板空間。

電氣規(guī)格解析

分辨率與動態(tài)范圍

PCM1750的理論分辨率為18位，最大可能的輸出代碼或計數(shù)為262,144（即108dB）。動態(tài)范圍通常定義為在有效輸入信號電平為 -60dB（相對于0dB）時的THD+N測量值，對于PCM1750，該值典型為90dB，最小值為88dB（音頻帶寬為20Hz至24kHz，THD+N在 -60dB時典型為 -30dB，最大為 -28dB；輸入頻率 (f{IN}=1kHz) ，采樣率 (f{S}=192kHz) ）。

模擬輸入?yún)?shù)

模擬輸入范圍為雙極性±2.75V（標(biāo)稱值），輸入電容為20pF，孔徑延遲典型為10ns，孔徑不確定性（抖動）為50ps rms。全功率輸入帶寬典型為500kHz，在寬帶操作中，可利用其額外的帶寬進(jìn)行欠采樣，將帶限信號直接下變頻到轉(zhuǎn)換器的基帶。

數(shù)字輸入/輸出

數(shù)字邏輯與CMOS兼容，數(shù)字輸出能夠驅(qū)動至少兩個標(biāo)準(zhǔn)TTL輸入負(fù)載。輸出數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制補碼，轉(zhuǎn)換命令在其上升沿觸發(fā)轉(zhuǎn)換，典型的轉(zhuǎn)換命令脈沖寬度為81ns（采樣率為192kHz時）。外部時鐘輸入為正邊沿觸發(fā)，不依賴占空比，所有與有效數(shù)據(jù)時鐘相關(guān)的操作應(yīng)同步到時鐘輸入的上升沿。

精度與漂移

增益誤差典型為±2%，最大為±5%；增益失配典型為±0.5%，最大為±2.0%。雙極性零（BPZ）誤差典型為±2mV，BPZ誤差失配典型為±3mV。增益和雙極性零的漂移在0°C至70°C范圍內(nèi)分別為±50ppm/°C和±10ppm/°C（相對于滿量程范圍）。

參考電壓

內(nèi)部參考電壓輸出為+2.75V，電流為±100μA，阻抗為0.2Ω，精度為±25mV，在0°C至70°C范圍內(nèi)的漂移為±50ppm/°C。

工作原理剖析

整體架構(gòu)

PCM1750采用3μ P阱CMOS工藝制造，包含多晶硅 - 多晶硅電容器、激光可微調(diào)的鎳鉻電阻器和兩層互連金屬。雙轉(zhuǎn)換器采用開關(guān)電容架構(gòu)，為每個輸入通道提供獨立的采樣/保持功能，實現(xiàn)同相采樣，消除了因不同時采樣兩個輸入通道而產(chǎn)生的相位誤差。

采樣模式

每次轉(zhuǎn)換后，雙ADC返回采樣模式以跟蹤輸入信號。在采樣期間，開關(guān)處于特定狀態(tài)，C1采樣并存儲輸入信號 (V_{IN}) ，同時作為電容數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（CDAC）的最高有效位（MSB）。通過自動歸零周期消除比較器的1/f噪聲和直流輸入失調(diào)電壓，這些誤差存儲在增益級之間的交流耦合電容器上。

逐次逼近轉(zhuǎn)換過程

轉(zhuǎn)換過程由轉(zhuǎn)換命令和外部時鐘控制，在轉(zhuǎn)換命令的上升沿，開關(guān)動作終止比較器自動歸零周期，將兩個轉(zhuǎn)換器從跟蹤模式切換到保持模式，捕獲 (V_{IN}) 的瞬時值。19位移位寄存器控制雙ADC的位測試，從MSB開始逐位進(jìn)行，直到LSB，根據(jù)比較器的反饋決定保留或拒絕每個位，使比較器輸入接近零電位。

差分線性校準(zhǔn)

由于多晶硅電容器的未修剪比率匹配約為0.1%，為了實現(xiàn)16位級小于1/2 LSB的差分線性誤差（DLE），需要對高位進(jìn)行一次性工廠校準(zhǔn)。由于其出色的溫度穩(wěn)定性，在溫度極端情況下無需重新校準(zhǔn)。

TDAC操作

TDAC（微調(diào)DAC）在晶圓級進(jìn)行激光微調(diào)，以位1為例，開關(guān)S1T在兩個電壓電平之間操作，通過電容器C1T將電壓差耦合到比較器的負(fù)輸入，為位1生成校正電壓。CDAC和TDAC的開關(guān)同時操作，確保校正電壓與位決策一致。

應(yīng)用要點與注意事項

輸入抗混疊濾波器

通過以2倍或4倍過采樣率操作，可放寬輸入抗混疊濾波器的滾降要求。例如，1倍系統(tǒng)通常使用9至11極低通濾波器（LPF），而4倍系統(tǒng)在與適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器（如DF1750）配合使用時，可使用6階（或更?。V波器。

時鐘與轉(zhuǎn)換命令

轉(zhuǎn)換命令的脈沖寬度和時鐘輸入的上升沿時間對轉(zhuǎn)換過程至關(guān)重要。快速邏輯邊沿可能導(dǎo)致邏輯饋通到模擬級，增加采樣和轉(zhuǎn)換過程中的失真。使用可選的DF1750數(shù)字濾波器可提供足夠慢的過渡，以保持完整的規(guī)格性能。

孔徑延遲與不確定性

孔徑延遲和不確定性會影響轉(zhuǎn)換器的整體精度，特別是在最大輸入頻率時。對于PCM1750，典型的孔徑抖動為50ps rms，當(dāng)輸入信號超過97kHz和/或需要大于15位的信噪比時，孔徑抖動才會成為影響因素。

PCM1750以其高性能、集成功能和靈活的工作模式，為音頻設(shè)計提供了可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計過程中，應(yīng)充分了解其特性和工作原理，合理選擇輸入抗混疊濾波器、時鐘和轉(zhuǎn)換命令參數(shù)，以確保系統(tǒng)的最佳性能。你在使用PCM1750或其他音頻A/D轉(zhuǎn)換器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。