德州仪器PCM1681与PCM1681 - Q1音频DAC深度解析

在音频处理领域，数字 - 模拟转换器（DAC）扮演着至关重要的角色，它直接影响着音频信号的质量和性能。德州仪器（TI）的PCM1681和PCM1681 - Q1便是两款极具特色的八通道24位音频DAC，下面我们就来详细了解一下它们。

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1. 产品概述

PCM1681与PCM1681 - Q1采用CMOS单芯片集成电路技术，封装为小巧的28引脚TSSOP PowerPAD。PCM1681 - Q1适用于汽车音频应用，而PCM1681则主要用于消费级应用。它们运用了Burr - Brown增强型多级ΔΣ架构，实现了出色的信噪比性能和对时钟抖动的高容忍度。

2. 产品特性

2.1 性能指标

• 分辨率：高达24位，能够提供非常细腻的音频信号还原。
• 动态范围：典型值为105 dB，意味着可以清晰地捕捉到微弱信号和强信号，减少信号失真。
• 信噪比（SNR）：同样达到105 dB典型值，有效降低噪声干扰，让音频更加纯净。
• 总谐波失真加噪声（THD + N）：典型值为0.002%，确保音频信号的高保真度。
• 满量程输出：典型值为3.75 VPP，能够满足多种音频设备的输出需求。

2.2 滤波器特性

• 过采样插值滤波器：具备4×/8×过采样功能，阻带衰减可达 - 57 dB，通带纹波仅为±0.015 dB，有效过滤杂波，提升音频质量。
• 数字滤波器：提供尖锐和缓慢两种滚降模式，用户可根据实际需求进行选择。

2.3 时钟与采样

• 采样频率：支持5 kHz至200 kHz的采样频率，适应多种音频格式。
• 系统时钟：可选择128 fS、192 fS、256 fS、384 fS、512 fS、768 fS或1152 fS，并具备自动检测功能。

2.4 控制与编程

• 模式控制：支持SPI™/I²C™双模式串口控制，以及4功能并行硬件控制，灵活性极高。
• 用户可编程功能：可通过串口或硬件控制实现多种功能，如数字衰减、软静音、数字去加重等。

2.5 电源与温度

• 电源电压：模拟电源为5 V，数字电源为3.3 V。
• 工作温度范围：消费级PCM1681为 - 40°C至85°C，汽车音频级PCM1681 - Q1为 - 40°C至105°C，适应不同的工作环境。

3. 引脚配置与功能

PCM1681和PCM1681 - Q1的28引脚HTSSOP PowerPAD封装，各引脚具有明确的功能。例如，BCK为串行音频数据的移位时钟输入，LRCK为左右声道时钟输入，其频率等于采样率fS。DATA1 - DATA4用于输入串行音频数据，每个引脚对应两个声道。而MC/SCL/DEMP、MD/SDA/MUTE、MS/ADR/FMT1等引脚则用于SPI或I²C控制以及硬件功能控制。

4. 规格参数

4.1 绝对最大额定值

在使用过程中，需要注意电源电压、输入电压、输入电流等参数的最大额定值，避免超出范围导致器件损坏。例如，VCC1和VCC2的电源电压范围为 - 0.3至6.5 V，VDD为 - 0.3至4 V。

4.2 ESD评级

PCM1681的人体模型（HBM）ESD评级为±4000 V，带电设备模型（CDM）为±1000 V；PCM1681 - Q1的HBM评级为±2000 V，CDM为±1000 V。在操作和储存过程中，要注意静电防护，防止静电对器件造成损害。

4.3 推荐工作条件

为了保证器件的最佳性能，推荐的模拟电源电压Vcc1和Vcc2为4.5至5.5 V，数字电源电压Vpp为3至3.6 V。系统时钟频率范围为1.024至36.864 MHz，采样时钟频率为8至192 kHz。

4.4 电气特性

• 分辨率与数据格式：支持16 - 24位音频数据，数据格式包括右对齐、I²S、左对齐、TDM和DSP等。
• 动态性能：在不同的采样频率和系统时钟条件下，THD + N、动态范围和SNR等指标表现出色。例如，在V_OUT = 0 dB，fS = 48 kHz时，THD + N典型值为0.002%。

5. 详细描述

5.1 系统时钟输入

系统时钟对于数字插值滤波器和多级ΔΣ调制器的正常工作至关重要。PCM1681和PCM1681 - Q1的系统时钟通过SCK输入，不同的采样频率对应着不同的系统时钟频率。为了获得最佳性能，建议使用低相位抖动和噪声的时钟源，如德州仪器的PLL170x多时钟发生器。

5.2 上电复位功能

该功能确保器件在上电时能够正确初始化。当系统时钟激活且VDD > 2.2 V（典型值，范围为1.4 V至2.9 V）时，上电复位功能启动，经过65,536个系统时钟周期完成初始化。在复位期间，模拟输出被强制设置为公共电压（VCOM）。

5.3 音频串行接口

由6线同步串口组成，包括LRCK、BCK和DATA1 - DATA4。BCK用于将串行数据时钟输入到音频接口串行移位寄存器，LRCK用于将串行数据锁存到内部寄存器。LRCK和BCK必须与系统时钟同步，理想情况下应从系统时钟派生。

5.4 音频数据格式和时序

支持多种行业标准音频数据格式，如右对齐、I²S、左对齐、TDM和DSP。数据格式通过控制寄存器9中的格式位FMT[3:0]进行选择，默认格式为16 - 24位左对齐。所有格式都要求音频数据为二进制补码、MSB优先。

5.5 去加重滤波器

针对32 kHz、44.1 kHz和48 kHz采样频率提供数字去加重滤波器，可有效改善音频信号的质量。

5.6 过采样率控制

根据系统时钟频率和过采样模式自动控制ΔΣ DAC的过采样率。过采样模式可通过MSEL引脚（硬件控制模式）或控制寄存器12中的OVER位（软件控制模式）进行选择，分为窄模式和宽模式。

5.7 零标志

PCM1681和PCM1681 - Q1具有两个零标志引脚ZR1和ZR2，用于指示指定通道的输入数据是否连续1024个采样周期保持逻辑0电平。零标志组合通过控制寄存器13中的AZRO[1:0]位进行选择。

5.8 模式控制

支持三种接口模式控制和三种过采样配置，通过MSEL引脚的输入状态进行选择。包括2线（I²C）串行控制、4线并行硬件控制和3线（SPI）串行控制。

6. 应用与实现

6.1 D/A输出滤波器电路

由于ΔΣ DAC会产生带外噪声，需要通过片上和外部低通滤波组合来降低噪声。推荐使用二阶巴特沃斯滤波器，如双电源和单电源应用中的多反馈（MFB）电路。同时，建议使用高质量的音频运算放大器，如德州仪器的OPA2353和OPA2134。

6.2 典型应用

在典型应用中，需要进行必要的电源旁路和去耦。使用德州仪器的PLL170x生成系统时钟输入和音频信号处理器的时钟。为了减少高频噪声和发射，建议在SCK、LRCK、BCK、DATA1 - DATA4等信号线上使用串联电阻。

7. 电源供应建议

为了获得最佳性能，建议使用线性稳压器提供5 V模拟电源和3.3 V数字电源。同时，需要使用五个电容器进行电源旁路，这些电容器应尽可能靠近器件封装。

8. 布局指南

在PCB布局时，建议使用接地平面，并将模拟和数字部分隔离。器件的数字I/O引脚应朝向接地平面的分割处，以实现短而直接的连接。对于PCM1681 - Q1，PowerPAD必须焊接到具有低热阻的接地平面上。

9. 总结

PCM1681和PCM1681 - Q1凭借其出色的性能、丰富的功能和灵活的控制方式，为音频处理设计提供了优秀的解决方案。无论是消费级音频设备还是汽车音频系统，都能满足其对高质量音频转换的需求。在实际应用中，工程师们需要根据具体的设计要求，合理选择参数和布局，以充分发挥这两款DAC的优势。你在使用类似音频DAC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。