德州仪器PCM1870：低功耗立体声ADC的卓越之选

在当今便携式数字音频应用领域，低功耗、高性能的音频模数转换器（ADC）至关重要。德州仪器（TI）的PCM1870就是这样一款出色的产品，它为便携式音频设备提供了强大的音频处理能力。下面我们就来详细了解一下PCM1870的特点、性能和应用。

文件下载：pcm1870.pdf

一、PCM1870的特性亮点

1. 丰富的模拟前端

PCM1870具备多种模拟输入模式，包括立体声单端输入（带多路复用器）、单声道差分输入，还有立体声可编程增益放大器以及麦克风升压放大器和偏置电路。这种多样化的输入模式使得它能够适应不同的音频信号源，满足各种应用场景的需求。

2. 出色的模拟性能

其动态范围达到了90 dB，能够有效地捕捉音频信号的细节，减少噪声干扰，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1.71 V至3.6 V，模拟部分的电源电压范围为2.4 V至3.6 V。这种宽电压范围设计，使得PCM1870在不同的电源环境下都能稳定工作，增加了其在各种设备中的适用性。

4. 低功耗设计

PCM1870在功耗方面表现出色。在录制模式下，不同的采样频率和声道设置下功耗都很低。例如，在48 kHz、立体声模式下，功耗仅为13 mW；在8 kHz、单声道模式下，功耗为5.3 mW；在全功率关断模式下，功耗更是低至3.3 μW。低功耗设计有助于延长便携式设备的电池续航时间。

5. 灵活的采样频率

采样频率范围为5 kHz至50 kHz，能够满足大多数音频应用的采样需求，为音频处理提供了足够的灵活性。

6. 自动电平控制（ALC）

在录音过程中，ALC功能可以自动扩展小输入信号并压缩大输入信号，确保录制的音频信号不会出现饱和或音量过低的情况，提高录音质量。

7. 单时钟输入操作

PCM1870可以在没有锁相环（PLL）的情况下接受各种频率的输入时钟，简化了系统设计。它支持常见的音频时钟，如256 fS/384 fS，以及多种特定应用的时钟频率。

8. 可编程功能

通过寄存器控制，PCM1870可以实现多种可编程功能，如数字软静音、各模块的电源开关控制、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。这些可编程功能为音频设计工程师提供了极大的灵活性，能够根据具体需求对音频进行个性化处理。

9. 降噪电路

内置的Pop噪声降低电路可以有效减少音频信号中的噪声，提高音频的纯净度。

10. 小巧的封装形式

提供24 - QFN（4 mm × 5 mm）和24 - DSBGA（2.49 mm × 3.49 mm）两种封装形式，节省了电路板空间，适合便携式设备的设计需求。

11. 宽工作温度范围

工作温度范围为 - 40°C至85°C，能够在各种恶劣的环境条件下稳定工作，保证了设备的可靠性。

二、电气特性与性能

1. 音频数据

PCM1870支持16位分辨率的音频数据，音频数据接口格式包括I2S、左对齐、右对齐和DSP格式，数据采用二进制补码、MSB优先的方式传输。采样频率范围为5 kHz至50 kHz，能够满足不同音频应用的需求。

2. 数字输入/输出

数字输入/输出逻辑与CMOS兼容，输入逻辑电平、电流以及输出逻辑电平都有明确的规定。系统时钟的频率根据电源电压的不同而有所变化，在不同的工作条件下都能保证稳定的信号传输。

3. 动态性能

全量程输入电压为2.828 Vp - p（0 dB），信噪比（SNR）和动态范围表现出色，能够有效地捕捉音频信号的细节，减少噪声干扰。

4. 滤波器特性

具有多种滤波器，如抽取滤波器、高通滤波器和陷波滤波器。抽取滤波器的通带和阻带性能良好，能够有效地去除高频噪声；高通滤波器可以根据需要选择不同的截止频率，去除输入信号中的直流分量；陷波滤波器可以去除特定频率的噪声，提高音频质量。

5. 电源和电源电流

电源电压范围明确，不同的工作模式下电源电流和功耗也不同。通过合理控制各模块的电源开关，可以进一步降低功耗，提高设备的能效。

三、引脚分配与功能

PCM1870的引脚分配清晰，每个引脚都有明确的功能。例如，AGND为模拟地，AIN1L/R和AIN2L/R为模拟输入引脚，AOL和AOR为麦克风放大器输出引脚，BCK为串行位时钟，DOUT为串行音频数据输出等。详细的引脚功能说明有助于工程师进行正确的电路连接和设计。

四、典型性能曲线

文档中给出了PCM1870的多种典型性能曲线，如抽取滤波器的通带和阻带特性曲线、高通滤波器的通带特性曲线、三频段音调控制曲线以及ADC在不同增益下的SNR曲线等。这些曲线直观地展示了PCM1870在不同工作条件下的性能表现，为工程师在设计过程中进行性能评估和优化提供了重要参考。

五、操作说明

1. 系统时钟输入

PCM1870可以接受多种频率的输入时钟，时钟用于数字滤波器、自动电平控制和Delta - Sigma调制器的时钟信号。通过寄存器设置可以确定采样率和系统时钟频率。需要注意的是，特定应用时钟的采样率可能会有一些采样误差。

2. 上电和复位

上电复位电路在 (V_{DD}=1.2 ~V) 时输出复位信号，将内部电路清零。系统复位可以通过设置寄存器85（SRST）来实现，所有寄存器将自动清零，电路恢复到默认状态。在进行系统复位时，需要注意模拟输出可能会出现可听的Pop噪声。

3. 电源开关顺序

为了减少可听的Pop噪声，在电源开启和关闭时需要按照特定的寄存器设置顺序进行操作。文档中给出了推荐的上电和下电顺序，工程师在设计过程中应严格遵循这些顺序，以确保设备的正常工作。

4. 音频串行接口

音频串行接口由LRCK、BCK和DOUT组成。LRCK用于表示采样率和左右声道信息，DOUT用于传输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DOUT上的串行音频数据。BCK和LRCK应与音频系统时钟同步，PCM1870支持主模式和从模式接口格式，可以通过寄存器84（MSTR）进行选择。

5. 音频数据格式和时序

PCM1870支持I2S、右对齐、左对齐和DSP格式的音频数据，数据采用二进制补码、MSB优先的方式传输。默认格式为I2S。文档中详细给出了各种数据格式的时序图和参数要求，工程师在设计时应根据具体需求选择合适的数据格式，并确保时序符合要求。

6. 三线接口（SPI）

在SPI模式下，所有的串行控制端口写操作使用16位数据字。文档中给出了控制数据字的格式和写入操作的功能时序图，以及详细的时序要求。工程师在使用SPI接口时，应严格按照这些要求进行操作，以确保数据的正确传输。

7. 两线接口（I2C）

PCM1870作为I2C总线的从设备，支持I2C标准的数据传输协议。它有7位的从地址，其中前六位是工厂预设的，最后一位可以由用户通过ADR端子定义。文档中详细介绍了I2C模式下的控制端子功能、从地址设置、数据包协议以及读写操作的时序图和要求。工程师在使用I2C接口时，应熟悉这些内容，确保与主设备的通信正常。

六、用户可编程模式控制

PCM1870的寄存器映射详细列出了各个寄存器的功能和位定义。通过对这些寄存器的设置，可以实现各种可编程功能，如模块的电源开关控制、增益调节、音频数据格式选择、自动电平控制参数设置等。工程师在设计过程中，应根据具体需求对这些寄存器进行合理设置，以实现最佳的音频性能。

七、连接图与推荐外部部件

文档中给出了PCM1870的连接图和推荐的外部部件，如电容和电阻的取值范围。合理选择外部部件可以提高PCM1870的性能和稳定性，工程师在设计电路板时应参考这些推荐值进行选择。

八、电路板设计和布局考虑

在电路板设计和布局过程中，需要注意以下几点：

1. 电源引脚旁路电容

数字和模拟电源供应线应通过0.1 - 4.7 μF的陶瓷电容或电解电容旁路到相应的接地引脚，并且这些电容应尽可能靠近引脚放置，以提高ADC的动态性能。

2. 模拟和数字接地

模拟地（AGND）和数字地（DGND）内部不连接，为了避免数字噪声反馈到模拟地，它们应具有非常低的阻抗，并且在器件下方直接连接，以减少噪声问题。

3. 模拟输入引脚

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R为单端输入引脚，AIN1L和AIN1R还可以用作单声道差分输入。这些引脚集成了抗混叠低通滤波器，但如果滤波器性能不足，可能需要添加适当的外部抗混叠滤波器。未使用的引脚应保持开路，不要通过寄存器设置选择开路引脚。

4. 放大器输出和输入引脚

当AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R用作高增益麦克风输入时，AOL和AOR可能会有较大的直流偏移。建议在AOL/AOR和PGINL/PGINR之间放置一个1 - 10 μF的隔直电容。如果应用不受直流偏移影响，则可以不使用这些电容。

5. (V_{COM})引脚

建议在 (V{COM}) 和AGND之间连接一个1 - 4.7 μF的电容，以确保ADC公共电压的低源阻抗。该电容应尽可能靠近 (V{COM}) 引脚放置，以减少ADC公共电压的动态误差。

6. 时钟和数据输出引脚

在主模式下，BCK和DOUT具有足够的负载驱动能力。但如果BCK和DOUT线路较长，建议在PCM1870附近放置一个缓冲器，并尽量减小负载电容，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。

九、应用领域

PCM1870适用于多种便携式数字音频应用，如便携式音频播放器、手机、摄像机、数码静态相机、个人媒体播放器（PMP）/数字多媒体广播（DMB）以及语音记录器等。其低功耗、高性能和丰富的功能使其成为这些应用的理想选择。

总的来说，德州仪器的PCM1870是一款功能强大、性能出色的低功耗立体声ADC，为便携式数字音频应用提供了全面的解决方案。电子工程师在设计音频设备时，可以充分利用PCM1870的各种特性和功能，打造出高质量、低功耗的音频产品。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。