DS90UA101-Q1：汽车级多通道数字音频链路的理想之选

作为一名电子工程师，在硬件设计开发的道路上，我们总是在不断寻找能提升性能、简化设计的优质产品。最近，我深入研究了德州仪器（TI）的DS90UA101-Q1多通道数字音频链路，发现它在汽车音频系统等领域有着出色的表现，下面就和大家分享一下我的研究心得。

文件下载：ds90ua101-q1.pdf

特性与概述

DS90UA101-Q1是一款满足汽车级标准（AEC - Q100 Grade 2）的数字音频串行器，其工作温度范围为-40°C至105°C，能适应复杂的汽车环境。它具备众多令人瞩目的特性：

1. 灵活的音频输入：支持I2S（立体声）或TDM（多通道）格式的数字音频输入，可满足不同音频系统的需求。
2. 高速串行输出：通过同轴或单差分对互连，实现高速串行输出接口，传输效率高。
3. 极低延迟：延迟小于15μs，确保音频传输的实时性。
4. 双向控制接口：带有与I²C兼容的串行控制总线，方便进行设备配置和通信。
5. 多通道支持：最多支持8个立体声I2S或TDM音频输入。
6. 宽时钟范围：支持10MHz至50MHz的音频系统时钟。
7. 单电源供电：采用单1.8V电源供电，简化了电源设计。
8. 灵活的I/O接口：I/O接口支持1.8V或3.3V，可根据系统需求灵活配置。
9. 长距离传输：支持AC耦合的STP或同轴电缆，传输距离可达15m。
10. 数据处理：数据采用直流平衡和加扰处理，并嵌入时钟，提高了信号质量和抗干扰能力。

引脚功能详解

DS90UA101-Q1的引脚功能丰富多样，不同的引脚承担着不同的任务，下面为大家逐一介绍：

数字音频接口

• SCK（3脚）：系统时钟输入，前向通道音频数据由此引脚提供时钟。
• LRCK（2脚）：字时钟输入。
• BCK（1脚）：位时钟输入。
• DIN[7:0]（23、24、26、27、29、30、31、32脚）：数字音频数据输入，每个输入可以是I²S、TDM等格式。

LVCMOS并行接口

• GPI[3:0]（19、20、21、22脚）：通用输入。
• GPO[3:0]（15、16、17、18脚）：通用输出。

控制与配置

• SCL（4脚）：I²C时钟线，需外部上拉至VDDIo。
• SDA（5脚）：I²C数据输入/输出线，同样需外部上拉至VDDIo。
• IDx（6脚）：用于设置设备的I²C地址。
• SET（8脚）：设备设置引脚，需连接外部上拉和下拉电阻。

电源与接地

• VDDPLL（10脚）：1.8V（±5%）PLL电源。
• VDDT（11脚）：1.8V（±5%）模拟核心电源。
• VDDCML（14脚）：1.8V（±5%）CML驱动电源。
• VDDIO（25脚）：LVCMOS I/O电源，可选择1.8V（±5%）或3.3V（±10%）。
• VDDD（28脚）：1.8V（±5%）数字电源。
• GND（DAP）：位于LLP封装底部中心的大金属触点，需通过至少9个过孔连接到地平面。

其他引脚

• RESO（7脚）：保留引脚，需连接到地。

串行接口

• DOUT+（13脚）：真串行接口输出，需通过0.1μF电容进行交流耦合。
• DOUT -（12脚）：反相串行接口输出，同样需通过0.1μF电容进行交流耦合。

电气特性与性能指标

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。DS90UA101-Q1的绝对最大额定值包括：

• 电源电压：VDDn（1.8V）为 - 0.3V至 + 2.5V，VDDIO为 - 0.3V至 + 4.0V。
• LVCMOS I/O电压： - 0.3V至 +（VDDIO + 0.3V）。
• CML驱动I/O电压： - 0.3V至 +（VDDCML + 0.3V）。
• 结温： + 150°C。
• 存储温度： - 65°C至 + 150°C。

推荐工作条件

在实际应用中，为了保证器件性能的稳定性，我们需要遵循推荐工作条件。DS90UA101-Q1的推荐工作条件如下：

• 电源电压：VDDn为1.71V至1.89V，LVCMOS电源电压（VDDIO）可选择1.71V至1.89V或3.0V至3.6V。
• 电源噪声：VDDn（1.8V）和VDDIO（1.8V）的电源噪声为25mVp - p，VDDIO（3.3V）的电源噪声为50mVp - p。
• 工作温度： - 40°C至 + 105°C。
• SCK时钟频率：STP电缆为10MHz至50MHz，同轴电缆为25MHz至50MHz。

电气特性参数

文档中还详细列出了各种电气特性参数，如LVCMOS直流规格、CML驱动直流规格、电源电流等。例如，LVCMOS输入的高电平输入电压（VIH）和低电平输入电压（VIL）在不同的电源电压下有不同的取值范围；CML驱动输出的差分电压（IVool）典型值为340mV等。这些参数为我们进行电路设计和性能评估提供了重要依据。

功能描述与应用

芯片组功能

DS90UA101-Q1通常与DS90UA102-Q1解串器配合使用，构成完整的数字音频传输解决方案。该芯片组可将数字音频源与远程音频转换器和DSP连接起来，支持10MHz至50MHz的参考时钟。DS90UA101-Q1将最多8个音频输入、4个通用输入以及双向控制通道数据串行化到单个高速差分对或单端同轴电缆上，而DS90UA102-Q1则将接收到的串行数据流转换回数字音频输出、控制通道数据和通用输出。

控制通道功能

芯片组的双向控制通道功能实现了链路两端设备之间的双向通信，例如数字信号处理器（DSP）和音频数模转换器（DAC）之间的通信。通过I²C端口，可对双向控制通道总线进行控制，无需额外的编程和控制线，简化了系统设计。

传输媒体

DS90UA101-Q1/DS90UA102-Q1芯片组适用于通过屏蔽双绞线（STP）或同轴电缆的点对点数据链路。串行器和解串器提供内部终端，以最小化阻抗不连续性。电缆和连接器的差分阻抗应为100Ω，单端阻抗应为50Ω。电缆的最大长度取决于电缆质量、连接器、电路板和电气环境等因素。

音频系统时钟操作

芯片组以数字音频源的音频系统时钟（SCK）作为参考时钟进行操作。音频数据、LRCK和BCK输入通过SCK时钟进入串行器，同时最多4个GPI输入也会被采样并与数字音频输入一起传输。当SCK空闲或缺失时，串行器会切换到内部参考时钟，其频率可通过设备控制寄存器进行选择。

串行帧格式与音频格式

• 串行帧格式：高速前向通道由28位数据组成，包含数字音频数据、同步信号、I²C和奇偶校验位。数据经过随机化、平衡和加扰处理，以优化在交流耦合链路上的信号传输。双向控制通道数据与高速前向数据一起在单条串行链路上传输，提供了全双工、低速控制路径。
• 音频格式：支持多种串行音频格式，如I²S格式、左对齐格式、右对齐格式和TDM格式。不同的音频格式在数据传输的时序和对齐方式上有所不同，我们可以根据具体的应用需求进行选择。

错误检测与I²C功能

• 错误检测：芯片组提供错误检测功能，可对双向控制通道数据和并行音频/同步数据进行校验。前向通道使用1位奇偶校验位，后向通道使用4位CRC位进行错误检测。检测到的错误数量会分别存储在串行器和解串器的两个8位寄存器中。
• I²C功能：I²C兼容接口允许通过双向控制通道对串行器、解串器或外部远程设备进行编程。I²C总线数据速率支持高达400kbps的快速模式，通过SCL和SDA线进行寄存器编程事务。

I²C相关特性

• IDx地址解码器：串行器上的IDx引脚用于解码和设置I²C地址，通过连接不同的电阻值可设置6种可能的I²C地址。
• I²C透传：I²C透传功能允许访问串行接口另一端的远程设备。通过配置相关寄存器，可实现对远程串行器、解串器或远程从设备的访问。
• 多设备寻址：为了支持在同一I²C总线上访问具有相同固定地址的多个设备，芯片组提供了从设备ID别名功能。通过编程从设备别名ID寄存器，可独立寻址具有相同I²C地址的从设备。
• 从设备时钟拉伸：为了与远程设备进行通信和同步，芯片组在数据传输期间利用总线时钟拉伸（将SCL线拉低）。I²C主设备必须支持从设备时钟拉伸才能与远程设备进行通信。

其他功能

• 通用输入输出：DS90UA101-Q1有4个专用通用输入（GPIs），DS90UA102-Q1有4个专用通用输出（GPOs）。此外，DS90UA101-Q1还有4个GPOs，DS90UA102-Q1有4个GPIOs，可实现灵活的控制和数据传输。
• LVCMOS VDDIO选项：串行器的输入可配置为1.8V或3.3V，以兼容不同的系统接口。
• 电源管理：通过PDB引脚可控制设备的开启和关闭。当PDB为高电平时，设备激活；为低电平时，设备进入掉电状态，控制寄存器配置恢复为默认值。
• SCK时钟边缘选择：TRFB寄存器可选择输入时钟的哪个边缘用于锁存输入数据，可根据具体需求进行配置。
• 内置自测试（BIST）：可选的全速内置自测试功能可用于测试高速串行链路和低速后向通道，在原型阶段、设备生产和系统诊断中非常有用。

应用信息与设计考虑

AC耦合

SER/DES仅支持通过集成的直流平衡编码方案进行交流耦合互连。在应用中，需要在串行接口信号路径上串联外部交流耦合电容。对于STP电缆，需要在两个输出（DOUT +、DOUT -）上使用0.1μF的耦合电容；对于单端50Ω同轴电缆，需要在真串行接口输出（DOUT +）上使用0.1μF的电容，未使用的数据引脚（DOUT -）需要通过0.047μF电容耦合到50Ω电阻接地。

典型应用连接

典型应用连接图展示了DS90UA101-Q1串行器的连接方式。串行接口输出必须连接外部0.1μF耦合电容，串行器具有内部终端。电源引脚附近应放置旁路电容，并使用铁氧体磁珠进行有效的噪声抑制。数字音频电气接口为LVCMOS格式，VDDIO引脚可连接到3.3V或1.8V，设备I²C地址选择通过IDx引脚进行配置。

PCB布局和电源系统考虑

在PCB布局和电源系统设计中，需要注意以下几点：

• 低噪声电源：设计电路布局和堆叠时，应为设备提供低噪声电源。
• 信号隔离：将高频或高电平输入输出分开，以减少杂散噪声拾取、反馈和干扰。
• 电源平面：使用薄电介质（2至4密耳）的电源/接地夹层，可提高电源系统性能。
• 旁路电容：外部旁路电容应包括RF陶瓷和钽电解电容，推荐使用表面贴装电容，并将较小值的电容靠近引脚放置。
• 多层板设计：建议使用至少四层板，包含电源和接地平面，并将LVCMOS信号远离差分线。
• 互连准则：使用100Ω耦合差分对，遵循S/2S/3S规则进行间距设计，尽量减少过孔数量，使用差分连接器，保持走线平衡，最小化线对内的偏斜。

封装信息

文档提供了DS90UA101-Q1的多种封装选项，包括不同的订购编号、封装类型、引脚数量、包装数量、载体、RoHS合规性、引脚镀层/球材料、MSL评级/峰值回流温度、工作温度和零件标记等信息。同时，还给出了封装的尺寸图、磁带和卷轴信息、示例电路板布局、示例模板设计等详细内容。

总结

DS90UA101-Q1是一款功能强大、性能出色的汽车级数字音频串行器，它在音频传输、控制通道通信、错误检测等方面都有着优秀的表现。其丰富的特性和灵活的配置选项，为我们在汽车信息娱乐系统、主动降噪系统、分布式多通道音频系统等应用中提供了可靠的解决方案。在实际设计过程中，我们需要充分了解其引脚功能、电气特性和应用要求，合理进行PCB布局和电源系统设计，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用过程中有没有遇到过什么问题呢？欢迎一起讨论交流。