探索PCM1870A：低功耗立体声ADC的卓越之选

在当今便携式数字音频设备蓬勃发展的时代，一款性能出色的低功耗立体声ADC对于提升音频质量和设备续航能力至关重要。TI的PCM1870A就是这样一款值得深入研究的产品，今天我们就来详细探讨它的特性、功能及应用。

文件下载：pcm1870a.pdf

一、PCM1870A概述

PCM1870A是一款专为便携式数字音频应用设计的低功耗立体声ADC。它集成了线输入放大器、升压放大器、麦克风偏置、可编程增益控制、音效和自动电平控制（ALC）等功能，采用24引脚YZF（2.49mm × 3.49mm）封装，有效节省了电路板空间。该芯片支持5kHz至50kHz的采样频率，能接受右对齐、左对齐、I2S和DSP格式，方便与音频DSP和编码器芯片进行接口连接。

二、关键特性剖析

（一）模拟前端

1. 输入类型丰富：具备立体声单端输入、单声道差分输入，还有立体声可编程增益放大器和麦克风升压放大器及偏置。这种多样化的输入方式能满足不同音频源的接入需求，无论是麦克风输入还是线路输入都能轻松应对。
2. 出色的模拟性能：动态范围达到90dB，能有效还原音频信号的细节，为用户带来清晰、纯净的音频体验。
3. 宽电源电压范围：数字I/O部分和数字核心部分的电源电压范围为1.71V至3.6V，模拟部分为2.4V至3.6V。这种宽电压范围的设计增加了芯片在不同电源环境下的适用性，方便工程师进行电源设计。
4. 低功耗优势：在不同工作模式下功耗表现优秀，例如在1.8/2.4V、48kHz、立体声录制模式下功耗为13mW；在1.8/2.4V、8kHz、单声道录制模式下功耗仅为5.3mW；在全功率关断模式下功耗低至3.3µW。低功耗特性对于便携式设备来说至关重要，能有效延长设备的续航时间。

（二）其他特性

1. 自动电平控制（ALC）：在录音过程中，ALC能自动扩展小输入信号并压缩大输入信号，确保录制的声音处于合适的电平，避免信号饱和或过小，提高录音质量。
2. 单时钟输入操作：无需PLL，通过单时钟输入即可实现系统时钟的运行，简化了时钟设计，降低了硬件成本和复杂度。
3. 多种串行控制方式：支持2线（I2C）或3线（SPI）串行控制，方便与不同的主控芯片进行通信，增加了系统设计的灵活性。
4. 可编程功能丰富：通过寄存器控制可以实现数字软静音、LRCK、BCK和DOUT的高阻态设置、各模块的电源上下电控制、模拟输入增益调节、麦克风输入升压、ALC参数设置、三频段音调控制和3D音效等功能。这些可编程功能为工程师提供了极大的设计自由度，能根据不同的应用需求对芯片进行定制化配置。
5. 爆音降噪电路：有效减少音频信号中的爆音，提升音频的纯净度和稳定性。

三、电气特性与性能曲线

（一）电气特性

在 (T{A}=25^{circ} C) 、 (V{D D}=V{10}=V{C C}=V{P A}=3.3 ~V) 、 (f{S}=48 kHz) 、系统时钟 = (256 f_{S}) 且为16位数据的条件下，PCM1870A展现出了良好的电气性能。例如，满量程输入电压为2.828Vp - p，信噪比（SNR）达到90dB，总谐波失真 + 噪声（THD + N）在 - 1dB时为0.009%至0.017%等。这些参数表明芯片在音频信号处理方面具有较高的精度和稳定性。

（二）性能曲线

文档中给出了多种典型性能曲线，如抽取滤波器的阻带和通带特性曲线、高通滤波器的通带特性曲线、三频段音调控制曲线以及ADC在不同增益和电源电压下的SNR和THD + N曲线等。通过这些曲线，工程师可以直观地了解芯片在不同工作条件下的性能表现，为电路设计和参数调整提供参考。例如，从三频段音调控制曲线中可以看到，通过调整不同频段的增益，可以实现对音频音调的灵活调节，满足不同用户对音频音色的需求。

四、功能模块详解

（一）模拟输入

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R引脚可作为麦克风或线路输入，具有可选的0 - 或20 - dB升压和1 - Vrms输入。所有模拟输入具有高输入阻抗（20kΩ），且不受增益设置的影响。通过寄存器87可以选择一对输入，AIN1L和AIN1R还可作为单声道差分输入。这种设计使得芯片在处理不同类型的音频输入时具有较高的灵活性和稳定性。

（二）增益设置

模拟信号在经过0 - 、12 - 或20 - dB升压放大器后，可通过寄存器79、80在30dB至 - 12dB范围内以1dB步长进行调整，每个通道的增益可以独立设置。在调整增益时，使用零交叉检测（寄存器85，ZCRS）可以减少拉链噪声，提高音频质量。

（三）A/D转换器

ADC包含多级Δ - Σ调制器、混叠滤波器、抽取滤波器、高通滤波器和陷波滤波器，能接受1Vrms作为满量程输入电压。抽取滤波器具有数字软静音功能，可通过寄存器81进行控制；高通和陷波滤波器可根据需要通过寄存器81和寄存器96至104进行禁用，以消除直流偏移或避免风噪声。

（四）其他功能

1. 公共电压： (V{COM}) 引脚通常偏置为0.5 (V{CC}) ，为内部电路提供公共电压。建议连接一个4.7 - µF电容器到该引脚，以优化模拟性能。
2. 麦克风偏置：MICB引脚为外部麦克风提供偏置源，可提供2mA（典型值）的偏置电流。
3. 3D音效：通过带通滤波器对左右声道数据进行混合，可实现3D音效。控制参数通过寄存器95进行设置，为音频增添了立体感和空间感。
4. 三频段音调控制：可对低音、中音和高音进行独立调节，增益范围为12dB至 - 12dB，通过寄存器92至94进行设置，满足不同用户对音频音调的个性化需求。

五、操作与控制

（一）系统时钟输入

PCM1870A可接受多种频率的输入时钟，无需PLL。时钟分为通用音频时钟和特定应用时钟，采样率和系统时钟频率通过寄存器86和寄存器85进行设置。系统时钟的脉冲持续时间高电平和低电平均要求不小于14ns。

（二）电源上电和复位

1. 上电复位：上电复位电路通常在 (V_{D D}=1.2 ~V) 时输出复位信号，将内部电路清零至默认状态，清除所有模拟和数字输出信号。芯片无需电源顺序，所有电源开启后需写入寄存器数据。
2. 系统复位：通过设置寄存器85（SRST）可启用系统复位，所有寄存器自动清零，所有电路复位至默认状态。但需要注意的是，启用SRST时模拟输出会产生可听的爆音。

（三）电源上下电顺序

为减少可听的爆音，上电和下电时需要按照特定的寄存器设置顺序进行操作。文档中给出了详细的推荐上电和下电顺序表格，工程师在实际应用中应严格按照这些顺序进行操作，以确保芯片的正常工作和音频质量。

（四）音频串行接口

音频串行接口由LRCK、BCK和DOUT组成，采样率和左右声道信息通过LRCK表示，DOUT传输ADC抽取滤波器的串行数据，BCK用于在其高低电平转换时传输音频数据。芯片具有主模式和从模式接口格式，可通过寄存器84进行选择。

（五）音频数据格式

支持I2S、右对齐、左对齐和DSP格式，所有格式要求二进制补码、MSB优先的音频数据，默认格式为I2S。不同数据格式的选择通过寄存器70进行设置。

（六）串行控制接口

1. 三线接口（SPI）：所有写操作使用16位数据字，通过MC时钟的上升沿将数据时钟输入到内部移位寄存器。文档中给出了详细的控制数据字格式和功能时序图，工程师在设计SPI接口时需要严格按照这些要求进行操作，以确保通信的正确性。
2. 两线接口（I2C）：作为从设备支持I2C串行总线和标准数据传输协议。芯片具有7位从地址，前六位为工厂预设，最后一位可由用户定义。主设备通过控制数据包协议进行读写操作，文档中也给出了详细的数据包协议和读写操作的时序图。

六、用户可编程模式控制

PCM1870A的寄存器控制功能丰富，通过不同的寄存器可以实现各种功能的配置。例如，寄存器73用于控制模拟偏置电路的电源上下电；寄存器79、80用于设置ADC输入的音量；寄存器81可控制ADC的高通滤波器、软静音和音频接口等。详细的寄存器映射和位定义在文档中都有给出，工程师在进行编程时需要仔细参考这些信息，确保正确配置芯片的各项功能。

七、连接与布局考虑

（一）电源引脚

数字和模拟电源线路应通过0.1 - 至4.7 - µF的陶瓷电容器或电解电容器旁路到相应的接地引脚，且电容器应尽可能靠近引脚，以提高ADC的动态性能。

（二）接地引脚

模拟和数字接地内部不连接，为避免数字噪声反馈到模拟接地，应确保它们具有低阻抗，并在芯片下方直接连接。

（三）输入引脚

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R为单端输入，AIN1L和AIN1R还可作为单声道差分输入。这些输入集成了抗混叠低通滤波器，若性能不足，可添加适当的外部抗混叠滤波器。未使用的引脚应保持开路，避免通过寄存器选择。

（四）其他引脚

当AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R作为高增益麦克风输入时，AOL和AOR可能存在较大直流偏移，建议在AOL/AOR和PGINL/PGINR之间连接1 - 至10 - µF的隔直电容器；在 (V_{COM}) 和AGND之间建议连接1 - µF至4.7 - µF的电容器，以确保ADC公共电压的低源阻抗；在主模式下，若BCK和DOUT线路较长，建议在芯片附近添加缓冲器并最小化负载电容，以减少数字和模拟电路之间的串扰，提高ADC的动态性能并降低功耗。

八、总结

PCM1870A以其丰富的功能、出色的性能和低功耗特性，成为便携式数字音频应用中一款极具竞争力的低功耗立体声ADC。它在模拟前端设计、增益控制、音频处理、控制接口等方面都展现出了较高的水平，为工程师提供了广阔的设计空间。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求，合理配置芯片的各项功能，并注意连接和布局的细节，以充分发挥PCM1870A的优势，设计出高性能的音频产品。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验，欢迎在评论区分享交流。