PCM4104：高性能四通道音频数模转换器的深度解析

在专业音频设备中，一款出色的数模转换器（DAC）是保证音质的关键。TI的PCM4104就是这样一款高性能的四通道音频DAC，接下来为大家详细介绍它的特点、参数、功能以及应用设计。

文件下载：pcm4104.pdf

产品概述

PCM4104是专为专业音频系统设计的高性能四通道数模转换器，能够支持16 - 24位线性PCM输入数据，最高采样频率可达216kHz，满足了大多数专业音频应用的需求。它采用了8倍过采样数字插值滤波器，以及多级Delta - Sigma调制器和单极点开关电容输出滤波器，这种架构不仅提供了卓越的动态和声学性能，还对时钟相位抖动有很高的容忍度。

关键特性

高性能转换能力

• 多通道设计：四个高性能多级Delta - Sigma数模转换器，提供差分电压输出，满量程输出（差分）可达6.15VPP，能很好地适应不同的音频负载需求。
• 高采样频率支持：支持高达216kHz的采样频率，可实现高质量的音频转换，捕捉更丰富的音频细节。

出色的动态性能

• 高动态范围：典型动态范围（A加权）可达118dB，能清晰还原音频信号的强弱变化，使声音更加逼真。
• 低失真：总谐波失真加噪声（THD + N）低至 - 100dB，有效减少了音频信号中的失真成分，保证了音质的纯净度。

灵活的数字处理功能

• 数字插值滤波：线性相位、8倍过采样数字插值滤波器，提升了音频信号的质量。
• 数字去加重滤波：针对32kHz、44.1kHz和48kHz采样率提供数字去加重滤波器，可根据不同的音频源进行优化。
• 软件控制功能丰富：具备软静音功能，可通过MUTE输入引脚实现全通道静音，在软件模式下还能实现单通道静音；支持数字衰减，衰减范围为0dB至 - 119.5dB，以0.5dB为步长，共256级；还具备输出相位反转、零数据静音等功能。

多样的数据格式支持

音频串口支持左对齐、右对齐、I2S和TDM数据格式，能接受16、18、20和24位二进制补码PCM音频数据，方便与各种数字音频设备连接。

低功耗设计

在不同采样频率下，功耗表现优秀。例如，在(f{S}=48kHz)时，典型功耗为203mW；(f{S}=96kHz)时，典型功耗为220mW；(f_{S}=192kHz)时，典型功耗为236mW，有助于降低系统的整体功耗。

技术参数

绝对最大额定值

在使用PCM4104时，需要注意其绝对最大额定值，如电源电压(V{CC})最大为 + 6.0V，(V{DD})最大为 + 3.6V等，超出这些范围可能会对设备造成永久性损坏。

电气特性

• 分辨率：24位，保证了高精度的音频转换。
• 数据格式：支持多种音频数据格式和字长，满足不同的应用需求。
• 时钟速率和时序：不同采样模式下，系统时钟频率和采样频率有相应的要求，例如单速率采样模式下，系统时钟频率为6.144 - 36.864MHz，采样频率为24 - 54kHz。
• 数字输入/输出：输入逻辑电平和电流、输出逻辑电平等参数都有明确的规定，确保了数字信号的准确传输。
• 模拟输出：满量程输出电压（差分）为6.15VPP，输出阻抗为5Ω等，这些参数决定了模拟输出的性能。

动态性能

在不同采样频率和数据位宽下，PCM4104的动态性能表现出色，如在24位数据、(f_{S}=48kHz)时，THD + N为 - 100dB，动态范围（A加权）为118dB。

数字滤波器

数字滤波器具有特定的通带、阻带特性，如通带波纹为 ± 0.002dB，阻带衰减在不同频率下有明确的数值，能有效过滤音频信号中的噪声。

电源供应

模拟电源(V{CC})范围为 + 4.75V至 + 5.25V，数字电源(V{DD})范围为 + 3.0V至 + 3.6V，在不同工作状态下，电源电流也有所不同。

功能详解

采样模式

PCM4104可在单速率、双速率或四速率三种采样模式下工作，通过软件模式下控制寄存器6中的FS[1:0]位或独立模式下的FS0和FS1输入进行选择。不同采样模式下，过采样倍数不同，以适应不同的采样频率需求。

复位操作

包括上电复位、外部复位和软件控制复位三种方式。上电复位时，内部复位信号会在电源满足一定条件后，等待系统时钟激活，经过1024个系统时钟周期完成初始化序列；外部复位可通过RST输入引脚实现，低电平有效，脉冲宽度至少为40ns；软件模式下，可通过控制寄存器6中的RST位进行复位。在复位和初始化序列期间，四个通道的模拟输出会被静音。

掉电模式

可通过将RST输入引脚拉低至少65,536个系统时钟周期进入掉电模式，此时内部时钟停止，模拟输出呈高阻态。软件模式下，还可通过控制寄存器6中的PDN12和PDN34位分别对通道1和2、通道3和4进行掉电控制。退出掉电模式时，模拟输出会从高阻态过渡到静音状态。

音频串口

音频串口是PCM4104与数字信号处理器、数字接口接收器等设备的连接接口，由BCK、LRCK、DATA0和DATA1四个信号引脚组成。LRCK引脚根据数据格式的不同，可作为左右字时钟或帧同步时钟；BCK引脚作为串行数据时钟输入；DATA0和DATA1引脚为音频数据输入，不同数据格式下，它们传输的音频通道数据有所不同。

独立模式配置

将MODE输入引脚拉低可选择独立模式，该模式提供了软件模式下部分功能的子集，通过对FS0、FS1、FMT0、FMT1、FMT2、MUTE、DEM0和DEM1等输入引脚的设置，可实现采样模式选择、音频数据格式选择、全通道软静音和数字去加重等功能。

软件模式配置

将MODE输入引脚拉高选择软件模式，可通过四线SPI端口对片上控制寄存器进行读写操作，实现更全面的功能配置，如数字衰减、数字去加重、单通道软静音、零数据静音、输出相位反转、采样模式设置和掉电模式控制等。

SPI端口操作

SPI端口用于软件模式下访问片上控制寄存器，支持单寄存器、连续和自动递增三种操作模式。单寄存器模式下，每次读写操作后CS输入引脚需拉高；连续模式下，CS输入引脚保持低电平，可连续读写多个寄存器；自动递增模式适用于读写多个连续的寄存器地址，操作完成后寄存器地址会自动递增。

应用设计

基本电路配置

在独立模式和软件模式下，PCM4104的典型电路配置有所不同，但都需要注意电源旁路和参考去耦电容的放置，应尽量靠近相应的引脚。模拟电源和数字电源需分开供电，可通过线性电压调节器从更高值的电源获取。主时钟发生器为PCM4104和音频数据源提供系统时钟，LRCK和BCK音频时钟应从系统时钟导出，以确保同步操作。

模拟输出滤波器电路

建议为每个差分输出对添加外部输出滤波器，以进一步降低Delta - Sigma调制器产生的带外噪声能量，并对输出频谱进行带限。对于单端输出，可使用如NE5534A运算放大器的有源滤波器电路，实现二阶低通滤波和差分转单端信号转换；对于差分输出，可使用如OPA1632的全差分输出滤波器电路。

总结

PCM4104以其高性能、低功耗、灵活的功能配置和丰富的数据格式支持，成为专业音频应用中的理想选择。无论是数字混音台、数字音频工作站，还是广播 studio设备等，PCM4104都能发挥其优势，为音频系统提供高质量的数模转换解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的需求合理配置其工作模式和参数，并注意电路设计和滤波器的选择，以充分发挥其性能。大家在使用PCM4104的过程中，有没有遇到什么有趣的问题或者独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。