PCM1789：高性能立体声 DAC 的技术剖析与应用指南

在音频处理领域，数字到模拟转换器（DAC）扮演着至关重要的角色。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的 PCM1789，一款专为消费音频应用设计的高性能立体声 DAC。

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一、产品概述

PCM1789 是一款单芯片、24 位立体声音频 DAC，具有差分输出。它采用增强型多级 ΔΣ 调制器，支持 8 kHz 至 192 kHz 的采样率，以及 16、20、24 和 32 位宽度的数字音频输入。该芯片适用于多种音频设备，如蓝光播放器、DVD 播放器、AV 接收器、家庭影院和汽车音频系统等。

二、关键特性

2.1 高性能 DAC

• 出色的音频指标：在 (f_{S}=48 kHz) 时，总谐波失真加噪声（THD + N）低至 -94 dB，信噪比（SNR）高达 113 dB，动态范围达 113 dB，能提供高质量的音频输出。
• 宽采样率范围：支持 8 kHz 至 192 kHz 的采样率，可满足不同音频源的需求。
• 系统时钟灵活：系统时钟支持 128 (f{S})、192 (f{S})、256 (f{S})、384 (f{S})、512 (f{S})、768 (f{S}) 和 1152 (f_{S}) 等多种倍数，方便与不同的时钟源配合使用。

2.2 灵活的音频接口

• 多种数据格式：支持 I2S、左对齐、右对齐和 DSP 等多种音频接口格式，数据长度可选 16、20、24 或 32 位，能适应不同的音频系统架构。

2.3 多样的控制方式

• 软件控制：可通过三线 SPI 或两线 I2C 兼容的串行接口进行软件控制，实现音频接口格式选择、数字衰减、软静音、数字去加重等多种功能。
• 硬件控制：支持硬件控制模式，通过两个控制引脚提供两个用户可编程功能。

2.4 其他特性

• 模拟静音功能：通过时钟停止检测实现模拟静音，可有效减少噪声干扰。
• 外部复位引脚：方便进行系统复位操作。
• 宽温度范围：工作温度范围为 -40°C 至 85°C，能适应不同的工作环境。

三、引脚配置与功能

PCM1789 采用 24 引脚 TSSOP 封装，各引脚具有特定的功能。例如，LRCK 为音频数据字时钟输入，BCK 为音频数据位时钟输入，DIN 为音频数据输入，RST 为复位和掉电控制输入等。在设计 PCB 时，需要根据引脚功能进行合理的布局和连接，以确保芯片的正常工作。

四、电气特性

4.1 绝对最大额定值

了解芯片的绝对最大额定值非常重要，它规定了芯片在正常工作时所能承受的最大电压、电流和温度等参数。例如，模拟电源电压 VCC1 和 VCC2 的范围为 -0.3 V 至 6.5 V，数字电源电压 VDD 的范围为 -0.3 V 至 4.0 V 等。在设计电源电路时，必须确保电源电压在这些额定值范围内，否则可能会损坏芯片。

4.2 推荐工作条件

为了获得最佳的性能，芯片需要在推荐的工作条件下运行。例如，模拟电源电压 VCC 推荐为 4.5 V 至 5.5 V，数字电源电压 VDD 推荐为 3.0 V 至 3.6 V，采样频率 LRCK 范围为 8 kHz 至 192 kHz 等。

4.3 音频性能指标

芯片的音频性能指标直接影响音频输出的质量。如前面提到的 THD + N、SNR 和动态范围等指标，以及通道分离度、增益误差等参数，都需要在设计过程中进行关注和优化。

五、详细功能描述

5.1 模拟输出

PCM1789 的模拟输出为差分电压输出，满量程输出电压为 (1.6 × VCC1) (VPP)。内部输出放大器带有 RC 连续时间滤波器，可减少带外噪声能量，但通常还需要外部低通滤波器来进一步降低带外噪声。

5.2 电压参考 VCOM

VCOM 引脚提供共模电压输出，可通过去耦电容连接到模拟地，也可用于偏置外部高阻抗电路。

5.3 系统时钟输入

系统时钟输入 SCKI 是芯片正常工作的关键。它必须是采样频率 (f{S}) 的整数倍，具体倍数支持 128 (f{S})、192 (f_{S}) 等多种选择。在设计时钟电路时，需要确保时钟信号的稳定性和准确性。

5.4 复位操作

芯片具有内部上电复位电路和外部复位电路。上电时，当 VDD 超过 2.2 V 时，内部复位自动触发，经过 3846 个 SCKI 时钟周期后释放。外部复位通过 RST 引脚实现，低电平有效，可使芯片进入复位和掉电状态。

5.5 ZERO 标志

ZERO1 和 ZERO2 为零检测标志引脚，可通过控制寄存器 22 中的 AZRO 位选择不同的组合方式。当指定通道的输入数据连续 1024 个采样周期为 '0' 时，相应的 ZERO 标志位被置为高电平。

5.6 AMUTE 控制

AMUTEI 为模拟静音控制输入引脚，低电平有效，可使 DAC 输出与数字输入断开，并将输出强制为中心电平（0.5 VCC1）。AMUTEO 为模拟静音状态输出引脚，低电平表示模拟静音控制电路处于激活状态。

5.7 串行控制接口

• SPI 控制：芯片支持 SPI 兼容的串行端口，通过 MD/SDA/DEMP、MC/SCL/FMT 和 MS/ADR0/RSV 三个引脚进行控制。控制数据字为 16 位，可实现单写和多写操作。
• I2C 控制：支持 I2C 兼容的串行总线和数据传输协议，作为从设备工作。具有 7 位从地址，可通过 MS/ADR0/RSV 和 ADR5/ADR1/RSV 两个引脚进行选择。

六、应用与实现

6.1 连接图

基本连接图中需要包含必要的电源旁路和去耦组件。推荐使用德州仪器的 PLL170X 来生成系统时钟输入 SCKI，同时为音频信号处理器提供时钟。在 SCKI、LRCK、BCK 和 DIN 信号线上使用 22 Ω 至 100 Ω 的串联电阻，可减少电磁干扰（EMI）。

6.2 电源与接地

芯片需要 +5 V 的模拟电源和 +3.3 V 的数字电源。为了获得最佳性能，建议使用线性稳压器（如 REG1015/33、REG102 - 5/33 或 REG103 - 5/33）为电源供电。同时，需要使用五个电容进行电源旁路，其中 10 - μF 的电容为铝电解电容，3 个 1 - μF 的电容为陶瓷电容，且这些电容应尽量靠近芯片封装。

6.3 低通滤波器与差分转单端转换器

由于 ΔΣ DAC 会产生带外噪声，因此需要使用低通滤波器来提高转换器的性能。推荐使用二阶巴特沃斯滤波器作为外部差分转单端转换器，如 NE5532A、OPA2134 或 OPA2353 等高性能音频运放可用于这些滤波器电路。

6.4 典型应用设计

在典型应用中，需要考虑控制方式（硬件、I2C 或 SPI）、音频输入（PCM 串行数据、TDM 或 DSP）、音频输出（(1.6 × VCC1) (Vpp) 模拟音频偏置到 (0.5 × VCC1) V）和主时钟（如 PLL170X 系列）等设计要求。

七、布局建议

7.1 布局准则

• 使用接地平面：推荐使用接地平面，并通过分割或切割电路板将模拟和数字部分隔离，以减少相互干扰。
• 合理安排引脚方向：将数字 I/O 引脚朝向接地平面分割处，以便与数字音频接口和控制信号进行短而直接的连接。
• 分离电源：为数字和模拟部分分别提供独立的电源，防止数字电源的开关噪声影响模拟电源，从而保证芯片的动态性能。

7.2 布局示例

典型的 PCB 布局示例展示了如何将数字和模拟部分进行合理的划分，以及如何连接芯片与其他电路组件。

八、总结

PCM1789 是一款功能强大、性能出色的立体声 DAC，具有丰富的特性和灵活的控制方式。在音频设计中，通过合理选择和应用该芯片，结合正确的电路设计、布局和电源管理，可以实现高质量的音频输出。希望本文能为电子工程师在使用 PCM1789 进行音频设计时提供有价值的参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。