深入剖析PCM186x系列音频ADC：特性、应用与设计要点

作为一名电子工程师，在音频处理领域不断探索的过程中，我发现了德州仪器（Texas Instruments）的PCM186x系列音频ADC，这一系列产品在音频功能集成方面有着独特的优势，能够满足多种应用场景的需求。今天，我就和大家详细分享一下PCM186x系列音频ADC的相关知识。

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一、PCM186x系列概述

PCM186x系列包括PCM1860、PCM1861、PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865等型号。该系列产品采用了全新的音频功能集成方法，不仅有助于符合欧洲生态设计法规，还能以较低的成本实现高性能的终端产品。它支持3.3V单电源供电，在小封装中集成了可编程增益放大器（PGA），为实现更小、更智能的产品提供了可能。

二、产品特性

2.1 高信噪比性能

不同型号的PCM186x具有不同的信噪比（SNR）表现。其中，PCM1861/63/65的SNR可达110dB，而PCM1860/62/64的SNR为103dB。这种高信噪比性能能够有效减少音频信号中的噪声干扰，为用户带来更纯净的音频体验。

2.2 宽采样率范围

ADC采样率（(f_{S})）范围为8kHz至192kHz，能够适应多种音频应用的需求，无论是低采样率的语音通信，还是高采样率的音乐录制，PCM186x都能轻松应对。

2.3 多通道选择

该系列产品最多可提供四个独立的ADC通道，支持单端和差分输入。单端输入的满量程（FS）为2.1 (V{RMS})，差分输入的FS为4.2 (V{RMS})，为不同的音频输入配置提供了灵活性。

2.4 灵活的控制方式

PCM1860和PCM1861采用硬件（HW）控制方式，而PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865则支持软件（SW）控制，可通过(I^{2} C)或SPI进行操作。此外，软件控制的设备还支持最多四个数字麦克风，为音频采集提供了更多的选择。

2.5 可编程增益放大器

PCM186x具有两级可编程增益放大器（PGA），模拟域进行粗增益调整，数字域进行细增益调整。PCM1860/61的固定增益为0dB、12dB和32dB，而PCM1862/63/64/65的软件控制增益范围为 - 12dB至 + 32dB。这种灵活的增益调整功能能够适应不同强度的音频输入信号。

2.6 集成高性能音频PLL

集成的音频PLL可以从位时钟输入生成片上主时钟，并与系统的其他部分共享，为音频系统的时钟同步提供了便利。

2.7 低功耗设计

在3.3V电源供电下，PCM1860/61/62/63的功耗小于85mW，PCM1864/65的功耗小于145mW。此外，还具备Energysense音频内容检测器，可实现自动系统唤醒和睡眠功能，进一步降低功耗。

2.8 其他特性

PCM186x还支持主或从音频接口、自动PGA削波抑制控制，并且所有设备的PCB封装尺寸兼容，方便工程师进行设计和替换。

三、应用场景

3.1 家庭影院和电视

在家庭影院和电视系统中，PCM186x能够提供高质量的音频采集和处理功能，确保音频信号的清晰和准确。其高信噪比和宽采样率范围能够满足各种音频格式的需求，为用户带来沉浸式的音频体验。

3.2 语音控制设备

对于语音控制设备，PCM186x的多通道支持和灵活的增益调整功能能够有效地采集和处理语音信号，提高语音识别的准确性。同时，低功耗设计也符合语音控制设备长时间待机的需求。

3.3 蓝牙音箱

在蓝牙音箱中，PCM186x可以与蓝牙模块配合，实现音频信号的采集和处理。其支持的数字音频输出格式丰富，能够与各种音频放大器和DAC进行接口，为蓝牙音箱提供高品质的音频输出。

3.4 麦克风阵列处理器

PCM186x的多通道能力和数字麦克风支持使其非常适合用于麦克风阵列处理器。它可以同时处理多个麦克风的音频信号，实现音频的波束形成和降噪等功能，提高音频采集的质量。

四、功能模块详解

4.1 模拟前端

PCM186x的模拟前端具有灵活性，支持单端和差分输入。在单端模式下，输入电平范围从几毫伏的麦克风输入到2.1 (V_{RMS})的线路输入，无需外部电阻分压器。前端的MIX、MUX和PGA还支持差分、伪差分和单端输入，能够有效抑制干扰，是需要干扰抑制的产品的理想接口。

4.2 麦克风支持

该系列产品支持模拟和数字麦克风。模拟信号处理与线路电平信号类似，但需要麦克风偏置。数字麦克风输入使用GPIO引脚，2通道ADC型号最多支持两个数字麦克风，4通道型号最多支持四个数字麦克风。此外，还可以通过寄存器启用内部调节器和片上接地端接电阻，为麦克风提供偏置电压。

4.3 输入多路复用器和混音器

PCM1860和PCM1861的硬件控制设备可以通过MD2、MD5和MD6配置引脚支持宽增益范围。而PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865的软件控制设备则在前端提供了混音和多路复用功能，通过寄存器可以选择不同的输入通道和极性，实现音频信号的混合和处理。

4.4 可编程增益放大器

PCM186x的PGA是混合模拟和数字可编程增益放大器，集成了查找表，能够自动平衡模拟和数字增益。在改变增益时，采用零交叉检测技术，减少拉链噪声。同时，该系列产品还具备自动削波抑制控制功能，能够在ADC削波时自动降低增益，并通过内部中断通知系统微控制器。

4.5 时钟系统

PCM186x的时钟架构非常灵活，支持外部CMOS时钟或外部晶体作为时钟源。内部集成的PLL可以从1MHz至50MHz的任何时钟源生成音频速率时钟。硬件控制设备能够在从模式下检测MCK的缺失并自动生成MCK信号，而软件控制设备则可以根据输入时钟速率编程PLL以生成音频时钟。

4.6 模数转换器

主音频ADC的SNR在不同型号中有所不同，PCM1860/62/64为103dB，PCM1861/63/65为110dB，带宽为40kHz，与专用的PGA和输入多路复用器紧密耦合。此外，还具备一个低功耗的辅助ADC，用于睡眠模式下的信号检测和系统的直流电压测量。

4.7 音频处理

两个固定功能的DSP（DSP1和DSP2）用于执行滤波、混音、信号检测和管理等功能。通过间接编程寄存器可以对DSP系数进行编程，实现不同的音频处理效果。

4.8 其他功能

PCM186x还具备淡入淡出功能，避免音频信号的突然变化产生的噪声；GPIO引脚可配置为各种功能，并可反转极性；中断控制器能够将不同的事件映射到GPIO或中断引脚，通知系统微控制器。

五、设计要点

5.1 电源供应

PCM186x使用三个内部电源轨：AVDD为模拟电路提供3.3V干净电源，DVDD用于3.3V数字时钟电路，IOVDD用于驱动输入/输出数字电路。内部集成的LDO可以将外部3.3V转换为数字核心所需的1.8V电压。在设计电源供应时，需要注意电源的稳定性和滤波，以确保设备的性能。

5.2 布局设计

在PCB布局时，应尽量将模拟和数字部分分开，避免数字噪声对模拟信号的干扰。将去耦电容尽可能靠近电源引脚放置，并在同一层上，以获得最佳效果。同时，在输入走线之间放置接地平面，以降低串扰。

5.3 时钟配置

根据系统的需求，选择合适的时钟源和时钟模式。在主模式下，应确保提供稳定的外部MCLK；在从模式下，需要注意时钟的同步和检测。如果使用非音频标准的时钟源，可能需要手动配置PLL。

5.4 寄存器配置

PCM186x的软件控制设备通过寄存器进行配置和控制。在配置寄存器时，需要仔细阅读数据手册，了解每个寄存器的功能和使用方法，确保设备的正常运行。

六、总结

PCM186x系列音频ADC以其高信噪比、宽采样率范围、灵活的控制方式和低功耗设计等优点，为音频处理领域提供了一种优秀的解决方案。无论是家庭影院、语音控制设备还是蓝牙音箱等应用场景，PCM186x都能够满足需求。作为电子工程师，在设计音频系统时，我们可以充分利用PCM186x的各种特性，实现高性能、低功耗的音频产品。同时，在设计过程中，要注意电源供应、布局设计、时钟配置和寄存器配置等要点，确保产品的稳定性和可靠性。希望通过本文的分享，能够帮助大家更好地了解和应用PCM186x系列音频ADC。大家在实际应用过程中遇到任何问题，欢迎一起交流探讨。