深入解析PCM175x系列24位音频数模转换器

在音频处理领域，数模转换器（DAC）的性能对音质起着至关重要的作用。TI的PCM175x系列（PCM1753、PCM1754、PCM1755）24位、192-kHz采样的增强型多级Delta-Sigma音频DAC，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为众多音频应用的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款DAC。

文件下载：pcm1755.pdf

一、PCM175x的特性亮点

高分辨率与出色模拟性能

PCM175x具备24位分辨率，能够提供极其精确的音频转换。在模拟性能方面，当 (V_{CC}=5V) 时，动态范围可达106dB，信噪比（SNR）典型值为106dB，总谐波失真加噪声（THD+N）典型值为0.002%，满量程输出典型值为4 (VPP) 。这些参数表明它能够还原出非常纯净、准确的音频信号。

灵活的数字滤波

它采用4×或8×过采样数字滤波器，阻带衰减可达 -50dB，通带波纹为 ±0.04dB。采样频率范围从5kHz到200kHz，系统时钟支持128 (fS) 、192 (fS) 、256 (fS) 、384 (fS) 、512 (fS) 、768 (fS) 、1152 (fS) ，并能自动检测。这种灵活的配置可以适应不同的音频应用需求。

丰富的控制功能

以PCM1754为例，它支持硬件控制，包括 (I^{2}S) 和16位字、右对齐的数据格式，具备44.1kHz数字去加重功能、软静音功能以及左右声道公共输出的零标志。

电源与封装优势

PCM175x采用5V单电源供电，简化了电源设计。同时，它采用小型16引脚SSOP封装，并且是无铅的，适合对空间和环保有要求的应用。

二、应用场景广泛

PCM175x适用于多种音频应用场景，如A/V接收器、HDTV接收器、汽车音频系统以及需要24位音频的应用。在这些场景中，它能够提供高质量的音频转换，满足用户对音质的需求。

三、技术架构与工作原理

增强型Delta-Sigma架构

PCM175x基于TI的增强型Delta-Sigma架构，采用4阶噪声整形和8级幅度量化，实现了出色的动态性能和更好的时钟抖动容限。这种架构能够有效降低量化噪声，提高音频信号的质量。

音频接口与数据格式

它的音频串行接口由一个3线同步串行端口组成，包括LRCK、BCK和DATA引脚。支持多种音频数据格式，如PCM1753支持右对齐、 (I^{2}S) 和左对齐等行业标准格式，PCM1754支持 (I^{2}S) 和16位字右对齐格式。数据格式的灵活性使得它能够与各种音频DSP和解码器芯片轻松接口。

零标志功能

PCM175x具有零标志功能，当某个声道的数据在1024个采样周期内保持为0时，相应的零标志引脚会置为逻辑1状态。这个功能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。

四、设计要点与注意事项

电源设计

为了保证PCM175x的性能，建议使用4.5V至5.5V的干净电源，并使用高质量的去耦电容来降低噪声。对于数字和模拟部分，推荐使用独立的电源，以防止数字开关噪声对模拟电源的干扰。如果需要使用公共5V电源，应在模拟和数字5V电源连接之间放置电感（如RF扼流圈、铁氧体磁珠）。

布局设计

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。PCM175x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的连接。

滤波器设计

Delta-Sigma D/A转换器会产生带外噪声，因此需要结合片上和外部低通滤波来提供最佳的转换器性能。推荐使用二阶巴特沃斯滤波器的多反馈（MFB）电路结构，这种结构对无源元件的变化在频率和温度方面的敏感性较低。同时，建议使用高质量的音频运算放大器，如TI的OPA2353和OPA2134。

五、测试与评估

THD+N测试

总谐波失真加噪声（THD+N）是音频D/A转换器的重要指标。对于PCM175x，测试时使用满量程、1kHz的数字正弦波作为测试激励，通过测量DAC输出的模拟信号来评估THD+N。

动态范围测试

动态范围通过测量 -60dB满量程、1kHz的数字正弦波激励下的A加权THD+N来确定。这个测试可以评估DAC在低电平输入信号下的性能。

信噪比（SNR）测试

SNR测试用于测量D/A转换器的本底噪声。测试时，输入全0数据，并禁用数字发生器的抖动功能，以确保输入为全0数据流。

六、总结

PCM175x系列24位音频数模转换器以其出色的性能、丰富的功能和灵活的配置，为音频设计工程师提供了一个强大的工具。在设计过程中，合理的电源设计、布局设计和滤波器设计是保证其性能的关键。通过正确的测试和评估方法，可以确保PCM175x在实际应用中发挥出最佳效果。你在使用PCM175x的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。