探索PCM1680：24位音频数模转换器的卓越之选

在音频数模转换器（DAC）的领域中，PCM1680以其出色的性能和丰富的功能脱颖而出。本文将深入探讨PCM1680的特点、参数、接口、模式控制等方面，为电子工程师在音频设计中提供全面的参考。

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一、PCM1680简介

PCM1680是一款CMOS单片集成电路，采用小巧的SSOP - 28封装，内部集成了八个24位音频数模转换器（DAC）及相关支持电路。它运用了德州仪器（TI）的增强型多级ΔΣ架构，实现了优异的信噪比性能和对时钟抖动的高容忍度。其应用范围广泛，涵盖了集成A/V接收器、DVD播放器、HDTV接收器、汽车音响系统等众多领域。

二、PCM1680的特点

2.1 高精度与高性能

• 24位分辨率：提供了极高的音频精度，能够呈现丰富的音频细节。
• 出色的模拟性能：
  • 动态范围：典型值可达105 dB，意味着可以清晰地捕捉到音频信号中的微弱和强烈部分。
  • 信噪比（SNR）：典型值为105 dB，有效减少了背景噪声的干扰，使音频更加纯净。
  • 总谐波失真加噪声（THD + N）：典型值为0.002%，确保输出的音频信号与原始信号高度一致，失真极小。
  • 满量程输出：典型值为3.9 VPP，为音频输出提供了足够的驱动能力。

2.2 灵活的滤波与采样

• 4x/8x过采样插值滤波器：
  • 阻带衰减：达到 - 50 dB，有效抑制了带外噪声。
  • 通带纹波：仅 ± 0.04 dB，保证了通带内音频信号的稳定性。
• 采样频率范围：支持5 kHz至200 kHz的采样频率，能够适应多种音频应用场景。
• 系统时钟：支持128 fS、192 fS、256 fS、384 fS、512 fS、768 fS或1152 fS的系统时钟，并具备自动检测功能。

2.3 丰富的用户可编程功能

• 灵活的音频数据格式：支持右对齐、I²S和左对齐等多种行业标准音频数据格式，以及16 - 24位的音频数据长度选择。
• 数字衰减：提供两种模式选择，可在0 dB至 - 63 dB以0.5 dB/步调节，或在0 dB至 - 100 dB以1 dB/步调节。
• 软静音功能：实现无杂音的音频静音效果。
• 数字去加重：可对音频信号进行去加重处理。
• 数字滤波器滚降选择：用户可根据实际需求选择尖锐或缓慢的数字滤波器滚降特性。

2.4 单电源供电与封装兼容性

• 单电源供电：采用5 V模拟和5 V数字单电源供电，简化了电源设计。
• 封装兼容性：引脚与PCM1780兼容，方便工程师进行产品升级和替换。

三、电气特性与性能参数

3.1 绝对最大额定值

在使用PCM1680时，需要严格遵守其绝对最大额定值，以避免对器件造成永久性损坏。例如，电源电压范围为 - 0.3至6.5 V，输入电压和电流也有相应的限制，工作温度范围为 - 40至 + 110 °C等。

3.2 推荐工作条件

为了确保PCM1680的最佳性能，建议在推荐工作条件下使用。如模拟和数字电源电压均为4.75至5.25 V，数字输入逻辑家族为TTL，系统时钟频率在8.192至36.864 MHz之间，采样时钟频率为32至192 kHz等。

3.3 电气性能参数

在 (T{A}= + 25^{circ}C)，(V{CC}=V{DD}=5 V)，(f{S}=48 kHz)，系统时钟 = 512 fS，24位数据的条件下，PCM1680展现出了优秀的电气性能。例如，其分辨率为24位，支持多种音频数据格式，动态范围、信噪比、THD + N等性能指标都表现出色。不同采样频率和系统时钟条件下，这些性能指标会有所变化，工程师可以根据具体应用需求进行选择。

四、接口与控制

4.1 系统时钟输入

PCM1680需要系统时钟来驱动数字插值滤波器和多级ΔΣ调制器。系统时钟通过SCK（引脚5）输入，常见音频采样率对应的系统时钟频率有多种选择，如采样频率为8 kHz时，系统时钟频率可以是1.024 MHz（128 fS）等。同时，系统时钟的脉冲持续时间有最低要求，为了获得最佳性能，建议使用低相位抖动和噪声的时钟源，TI的PLL170x多时钟发生器是一个不错的选择。

4.2 音频串行接口

PCM1680的音频串行接口由6线同步串行端口组成，包括LRCK、BCK和DATA1 - DATA4。BCK作为串行音频位时钟，将数据时钟输入到音频接口串行移位寄存器；LRCK为串行音频左右字时钟，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，并且建议从系统时钟输入SCK派生而来。

4.3 音频数据格式与定时

该器件支持右对齐、I²S和左对齐等行业标准音频数据格式，通过控制寄存器9中的FMT[2:0]位进行选择，默认数据格式为24位左对齐。所有数据格式都要求二进制补码、MSB优先的音频数据。每个DATA引脚携带两个音频通道，左声道数据总是先于右声道数据。

4.4 过采样率控制

PCM1680会根据系统时钟频率自动控制ΔΣ DAC的过采样率。如使用1152 - fS、768 - fS或512 - fS的系统时钟时，过采样率为64x；使用384 - fS或256 - fS的系统时钟时，过采样率为32x；使用192 - fS或128 - fS的系统时钟时，过采样率为16x。

4.5 零标志

PCM1680有两个零标志引脚ZERO1和ZERO2，通过控制寄存器13中的AZRO[1:0]位选择零标志组合。当指定通道的左右声道输入数据在1024个采样周期内都为逻辑0时，零标志引脚将置为逻辑1；只要有一个通道的输入数据包含逻辑1，零标志引脚就会立即置为逻辑0。同时，可通过设置控制寄存器10的ZREV位来反转零标志输出的极性。

4.6 模式控制

PCM1680具有许多可编程功能，可通过SPI或I²C接口进行软件控制。通过MSEL（引脚14）可以选择这两种接口模式，不同接口模式下，相关引脚的功能会有所变化。例如，在SPI模式下，MD（引脚4）用于写入模式寄存器数据，MC（引脚3）为串行位时钟控制端口，MS（引脚2）用于启用模式控制；在I²C模式下，相关引脚的功能则有所不同。

五、模式控制寄存器

5.1 用户可编程模式控制

PCM1680的用户可编程功能通过控制寄存器实现，这些功能包括数字衰减控制、软静音控制、DAC操作控制、音频数据格式控制、数字滤波器滚降控制等。每个功能都有相应的复位默认条件和寄存器索引，工程师可以根据需要对这些寄存器进行编程。

5.2 寄存器定义

对各个控制寄存器的定义进行详细说明，例如寄存器1 - 6和16 - 17用于数字衰减控制，寄存器7和18用于软静音控制等。每个寄存器的具体位定义和功能也有明确规定，如数字衰减控制中，ATx[7:0]位用于设置衰减级别，不同的DAMS位设置会影响衰减范围和步长。

六、模拟输出与应用信息

6.1 模拟输出

PCM1680有八个独立的输出通道 (V{OUT}1 - V{OUT}8)，这些通道为不平衡输出，在 (V{CC}=5 V) 时，每个通道典型情况下可驱动3.9 VPP的电压到5 - kΩ的交流负载。内部输出放大器偏置在直流公共电压 (0.5 × V{CC})，并且包含一个RC连续时间滤波器，可减少DAC输出处的带外噪声能量，但通常还需要外部低通滤波器来进一步衰减带外噪声。

6.2 应用信息

• 连接图：提供了基本连接图，包括必要的电源旁路和去耦组件。建议使用TI的PLL170x生成系统时钟输入SCK，并在SCK、LRCK、BCK、DATA1 - DATA4等信号线上使用22 Ω至100 Ω的串联电阻，以形成低通滤波器，减少高频噪声和发射。
• 电源与接地：PCM1680需要5 V的模拟和数字电源，推荐使用线性稳压器提供5 V电源。同时，需要四个电容进行电源旁路，且应尽量靠近器件放置。
• DAC输出滤波器电路：由于ΔΣ DAC会产生带外噪声，需要结合片内和外部低通滤波来优化转换器性能。推荐使用二阶巴特沃斯滤波器的多反馈（MFB）电路结构，如TI的OPA2134和OPA2353双运算放大器可用于这些有源滤波器。
• PCB布局指南：建议采用接地平面，并将模拟和数字部分通过分割或切割电路板进行隔离。PCM1680的数字I/O引脚应朝向接地平面的分割处，以实现与数字音频接口和控制信号的短而直接连接。同时，建议为数字和模拟部分分别使用独立的电源，若使用公共5 V电源，应在模拟和数字电源连接之间放置电感以避免数字开关噪声耦合到模拟电路。

七、总结与思考

PCM1680凭借其高精度、高性能、丰富的可编程功能和灵活的接口，为音频设计提供了强大的支持。在实际应用中，工程师需要根据具体的音频需求，合理设置系统时钟、音频数据格式、数字滤波器等参数，同时注意电源、接地和PCB布局等方面的设计，以充分发挥PCM1680的优势。那么，在你的音频设计项目中，是否会考虑使用PCM1680呢？你在使用过程中可能会遇到哪些挑战，又该如何解决呢？欢迎在评论区分享你的想法和经验。