深入剖析PCM1780/81/82：高性能音频数模转换器的卓越之选

引言

在当今数字化音频飞速发展的时代，高质量的音频数模转换器（DAC）对于音频系统的性能起着至关重要的作用。德州仪器（TI）的PCM1780、PCM1781和PCM1782系列24位、192-kHz采样的音频数模转换器，以其卓越的性能和丰富的功能，在音频领域占据了重要的地位。今天，我们就来深入剖析这一系列产品，了解其特点、性能以及应用中的注意事项。

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产品特性与优势

高精度与高性能

PCM1780/81/82具备24位的高分辨率，能够提供极其精准的音频转换。在模拟性能方面，当 (V_{CC}=5V) 时，动态范围可达106 dB，信噪比（SNR）典型值为106 dB，总谐波失真加噪声（THD+N）典型值仅为0.002%，满量程输出典型值为3.9 Vp-p。这些出色的数据使得音频信号能够以极高的质量进行转换，还原出最真实的声音。

灵活的数字滤波器

产品拥有4×/8×过采样数字滤波器，其阻带衰减可达 - 50 dB，通带纹波仅为 ±0.04 dB。这种数字滤波器的设计不仅能够有效滤除高频噪声，而且在不同的音频场景下都能保证良好的频率响应，为音频处理提供了更多的灵活性。

宽采样频率范围

PCM1780/81/82支持5 kHz至200 kHz的采样频率，并且系统时钟具备自动检测功能，支持128 (f{S})、192 (f{S})、256 (f{S})、384 (f{S})、512 (f{S})、768 (f{S})、1152 (f_{S}) 等多种时钟频率。这使得它能够适应各种不同的音频源和应用场景，满足多样化的设计需求。

丰富的控制功能

PCM1780和PCM1782支持软件控制，能够接受16 - 24位的音频数据，支持右对齐、I2S和左对齐等多种数据格式。同时，还具备数字衰减、数字去加重、数字滤波器滚降选择、软静音以及零标志输出等功能，用户可以根据实际需求对音频进行精确的调整和控制。而PCM1781则支持硬件控制，提供数据格式选择、去加重控制和静音控制等基本功能，操作相对简单直接。

技术参数详解

绝对最大额定值

了解产品的绝对最大额定值对于确保其安全可靠的运行至关重要。PCM1780/81/82的电源电压范围为 - 0.3 V至6.5 V，输入电压范围为 - 0.3 V至 (V_{CC}+0.3V) 且小于6.5 V，输入电流（除电源引脚外）为 ±10 mA。环境温度范围在 - 40°C至125°C之间，存储温度范围为 - 55°C至150°C，结温为150°C，焊接时的引脚温度为260°C（持续5 s），封装的红外回流焊峰值温度为260°C。在设计过程中，必须严格遵守这些参数，避免超出额定值导致设备损坏。

推荐工作条件

为了使PCM1780/81/82达到最佳的性能，推荐的数字和模拟电源电压 (V_{cc}) 为4.5 - 5.5 V（典型值为5 V），数字输入逻辑家族为TTL。系统时钟频率范围为8.192 - 36.864 MHz，采样时钟频率范围为32 - 192 kHz。模拟输出负载电阻应不小于5 kΩ，模拟输出负载电容不超过50 pF，数字输出负载电容不超过20 pF。工作的自由空气温度范围为 - 25°C至85°C。

电气特性

在电气特性方面，PCM1780/81/82的音频数据接口格式丰富多样，PCM1780和PCM1782支持右对齐、I2S和左对齐，可选择16 - 24位；PCM1781支持I2S和16位右对齐。采样频率范围为5 - 200 kHz，系统时钟频率支持多种选择。在动态性能方面，不同的采样频率和输出电压下，THD+N、SNR和动态范围等参数都有明确的表现。例如，在 (V{OUT}=0dB)、(f{S}=48kHz) 时，THD+N典型值为0.002%，SNR典型值为106 dB。

引脚功能与连接

引脚分配与功能

PCM1780/82和PCM1781的引脚分配有所不同，但都涵盖了系统时钟输入（SCK）、音频数据输入（DATA）、音频数据位时钟输入（BCK）、音频数据左右时钟输入（LRCK）等关键引脚。此外，还有用于模式控制、电源供应、模拟输出等功能的引脚。例如，PCM1780/82的MS、MC、MD引脚用于模式控制，而PCM1781的FMT、DEMP0、DEMP1、MUTE引脚则用于数据格式选择、去加重控制和静音控制等。

连接注意事项

在连接PCM1780/81/82时，需要注意以下几点。首先，系统时钟输入（SCK）应使用低相位抖动和噪声的时钟源，以确保最佳性能。TI的PLL170x系列多时钟发生器是一个不错的选择。其次，音频串行接口的LRCK和BCK应与系统时钟同步，理想情况下应从系统时钟输入（SCK）派生而来。此外，对于输入引脚，如SCK、LRCK、BCK和DATA，建议使用22 Ω至100 Ω的串联电阻，以减少高频噪声发射，抑制时钟和数据线上的毛刺和振铃。

典型性能曲线分析

数字滤波器性能

从典型性能曲线可以看出，数字滤波器在不同的滚降模式下（尖锐和缓慢）具有不同的频率响应。尖锐滚降模式下，通带纹波小，阻带衰减大，能够更好地滤除高频噪声；而缓慢滚降模式则在过渡带具有更平滑的特性，适用于对过渡特性要求较高的应用。

去加重滤波器性能

去加重滤波器在不同的采样频率下（如32 kHz、44.1 kHz、48 kHz等）的性能曲线显示，其能够有效补偿音频信号在传输过程中的高频损失，提高音频的质量。

模拟滤波器性能

模拟滤波器在不同频率下的响应曲线表明，它能够帮助减少由于PCM1780/81/82的Δ - Σ D/A转换器的噪声整形特性而在DAC输出端出现的带外噪声能量。但在许多应用中，仅靠内部的模拟滤波器是不够的，还需要外部低通滤波器来提供足够的带外噪声抑制。

系统时钟与复位功能

系统时钟输入

PCM1780/81/82需要系统时钟来操作数字插值滤波器和多级Δ - Σ调制器。系统时钟通过SCK输入（引脚5）提供。对于常见的音频采样频率，有多种系统时钟频率可供选择，如对于8 kHz的采样频率，系统时钟频率可以是1.024 MHz（128 (f{S})）、1.536 MHz（192 (f{S})）等。为了获得最佳性能，应使用低相位抖动和噪声的时钟源。

上电复位功能

该产品具有上电复位功能。当系统时钟激活且 (V{CC}>3V)（典型值为2.2 V至3.7 V）时，上电复位功能启用。从 (V{CC}>3V) 开始，初始化序列需要3072个系统时钟周期。初始化完成后，PCM1780/82将设置为复位默认状态。

音频数据格式与定时

音频数据格式

PCM1780/82支持行业标准的音频数据格式，包括右对齐、I2S和左对齐；PCM1781支持I2S和16位字右对齐。所有格式都要求二进制补码、MSB优先的音频数据。数据格式可以通过控制寄存器或引脚进行选择，默认数据格式为24位左对齐。

定时要求

音频串行接口的定时要求非常严格。LRCK和BCK应与系统时钟同步，BCK可以以32、48或64倍的采样频率运行。内部操作与LRCK同步，当采样率时钟（LRCK）改变或SCK和/或BCK中断至少三个位时钟周期时，设备的内部操作将暂停。在恢复连续的SCK、BCK和LRCK后，内部操作将在小于 (3 / f_{S}) 的时间内自动重新同步，无需外部复位。

过采样率控制与零标志功能

过采样率控制

PCM1780/81/82能够根据系统时钟频率自动控制Δ - Σ D/A转换器的过采样率。当系统时钟为1152 (f{S})、768 (f{S}) 或512 (f{S}) 时，过采样率设置为64×；当系统时钟为384 (f{S}) 或256 (f{S}) 时，过采样率设置为32×；当系统时钟为192 (f{S}) 或128 (f_{S}) 时，过采样率设置为16×。

零标志功能

PCM1780/82的每个输出通道都有独立的零检测功能。如果某个通道的数据在1024个采样周期内保持为0，则该通道的零标志引脚（ZEROL或ZEROR）将设置为逻辑1状态。这些零标志引脚可以用于操作外部静音电路或作为微控制器、音频信号处理器等的状态指示器。PCM1781的ZEROA引脚是L通道和R通道的公共零标志引脚，当L通道和R通道的数据在1024个采样周期内保持为0时，ZEROA将设置为逻辑1状态。

软件与硬件控制

软件控制（PCM1780/82）

PCM1780/82通过三线串行控制端口提供了丰富的用户可编程功能。通过编程内部寄存器，可以实现数字衰减控制、软静音控制、过采样率控制、软复位控制等多种功能。例如，数字衰减控制可以将衰减水平从0 dB设置到 - 63 dB（0.5 dB/步）或 - 100 dB（1 dB/步）。

硬件控制（PCM1781）

PCM1781通过四个控制引脚提供了部分用户可编程功能，包括数据格式选择、去加重控制和静音控制。用户可以通过设置这些引脚的电平来实现相应的功能。

模拟输出与应用设计

模拟输出特性

PCM1780/81/82包含两个独立的输出通道（(V{OUT } L) 和 (V{OUT } R)），为不平衡输出，每个通道能够在5 kΩ的交流耦合负载上驱动典型值为3.9 Vp-p的信号。内部输出放大器偏置到直流公共电压（(0.5V_{CC})），并包含一个RC连续时间滤波器，用于减少带外噪声能量。

应用设计要点

在应用设计中，需要注意电源供应和接地。PCM1780/81/82需要5 V的电源供应，并且需要进行适当的电源旁路，推荐使用0.1 μF的陶瓷电容器和10 μF的电解电容器。此外，为了减少数字开关噪声对模拟电路的影响，建议为数字和模拟部分分别提供独立的电源供应。如果必须使用公共的5 V电源，则应在模拟和数字5 V电源连接之间放置电感（RF扼流圈、铁氧体磁珠）。

在PCB布局方面，建议使用接地平面，并通过分割或切割电路板来隔离模拟和数字部分。PCM1780/81/82的数字I/O引脚应朝向接地平面的分割/切割处，以实现与数字音频接口和控制信号的短而直接的连接。

对于D/A输出滤波器电路，由于Δ - Σ D/A转换器会产生带外噪声，需要通过片上和外部低通滤波的组合来实现最佳的转换器性能。推荐的外部低通有源滤波器电路为二阶巴特沃斯滤波器，采用多反馈（MFB）电路结构，可减少无源元件在频率和温度变化时的灵敏度。

总结

PCM1780/81/82是一款性能卓越、功能丰富的音频数模转换器，适用于各种对音频质量要求较高的应用场景。在设计过程中，电子工程师需要充分了解其特性、参数、引脚功能和应用要点，合理进行电路设计和PCB布局，以确保设备能够发挥出最佳性能。同时，要严格遵守产品的绝对最大额定值和推荐工作条件，避免因不当使用而导致设备损坏。希望本文能够为广大电子工程师在使用PCM1780/81/82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任何问题，欢迎在评论区交流讨论。