深入解析PCM1802：高性能单声道立体声A/D转换器的设计与应用

在音频处理领域，A/D转换器扮演着至关重要的角色，它将模拟音频信号转换为数字信号，为后续的数字音频处理奠定基础。今天，我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的PCM1802，一款高性能、低成本的单声道立体声A/D转换器，它在众多音频设备中有着广泛的应用。

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一、PCM1802的主要特性

1.1 高精度转换

PCM1802是一款24位Delta - Sigma立体声A/D转换器，单端电压输入可达3VP - P，内置抗混叠滤波器和过采样抽取滤波器。过采样频率可选×64或×128，通带纹波仅为±0.05 dB，阻带衰减达到 - 65 dB，能够有效滤除噪声，提高转换精度。同时，片上高通滤波器在44.1 kHz时截止频率为0.84 Hz，可去除输入信号的直流分量。

1.2 卓越的性能指标

该转换器具有出色的动态性能，总谐波失真加噪声（THD + N）典型值为 - 96 dB，信噪比（SNR）典型值为105 dB，动态范围典型值也为105 dB，能够提供清晰、纯净的音频信号。

1.3 灵活的音频接口

PCM1802支持主从模式选择，数据格式丰富，包括24位左对齐、24位I2S、20位或24位右对齐，可满足不同音频系统的需求。

1.4 宽采样率范围

采样率范围为16 kHz至96 kHz，系统时钟可选256 fS、384 fS、512 fS、768 fS，双电源供电，模拟电源为5 V，数字电源为3.3 V，采用20引脚SSOP封装，体积小巧，便于集成。

二、应用领域

PCM1802适用于多种音频设备，如AV放大器接收器、MD播放器、CD录音机、多轨接收器和电子乐器等。这些设备通常对音频质量有较高要求，同时也需要考虑成本因素，PCM1802正好满足了这些需求。

三、详细描述

3.1 架构组成

PCM1802主要由参考电路、两路单端转差分转换器、五阶Delta - Sigma调制器、带高通滤波器的抽取滤波器和串行接口电路组成。片上高精度参考电路结合一个外部电容，为整个转换器提供所需的参考电压，并定义了两个通道的满量程电压范围。单端转差分信号转换器节省了外部信号转换器的设计空间和成本，全差分架构则提供了宽动态范围和出色的电源抑制性能。

3.2 工作原理

输入信号以×64或×128的过采样率进行采样，消除了对外部采样保持放大器的需求。五阶Delta - Sigma噪声整形器由五个采用开关电容技术的积分器和一个比较器组成，将比较器和1位DAC产生的量化噪声整形到音频信号频带之外，高阶调制还能使调制器输出随机化，降低空闲音水平。Delta - Sigma调制器输出的64 - fS或128 - fS、1位数据流通过抽取滤波器去除高频噪声分量，转换为1 - fS、24位或20位的数字信号，高通滤波器去除信号的直流分量，最终输出通过串行接口转换为时分复用的串行信号。

四、规格参数

4.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。PCM1802的电源电压、输入电流、环境温度等都有明确的限制，例如，VCC最大为6.5 V，VDD最大为4 V，输入电流（除电源引脚外）最大为±10 mA，环境温度范围为 - 40°C至125°C等。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏。

4.2 ESD评级

静电放电（ESD）是电子设备在生产、运输和使用过程中常见的问题，PCM1802的人体模型（HBM）ESD评级为±1500 V，充电器件模型（CDM）ESD评级为±1000 V，在使用过程中需要采取适当的ESD防护措施。

4.3 推荐工作条件

为了保证PCM1802的最佳性能，推荐的模拟电源电压为5 V，数字电源电压为3.3 V，模拟输入电压满量程为3 VP - P，数字输入逻辑家族为TTL，采样时钟频率范围为8.192 MHz至49.152 MHz，系统时钟频率根据采样率和过采样率的不同而有所变化。

4.4 电气特性

PCM1802的电气特性包括分辨率、数据格式、采样频率、系统时钟频率、输入输出逻辑电平、直流精度、动态性能等。例如，分辨率为24位，数据格式有多种选择，采样频率范围为16 kHz至96 kHz，系统时钟频率与采样频率成倍数关系。动态性能方面，在不同的采样频率和输入电平下，THD + N、动态范围、信噪比等指标都有明确的测试数据。

五、应用与实现

5.1 典型应用电路

在典型应用中，PCM1802的模拟输入需要使用交流耦合电容去除直流分量，同时可以使用RC滤波器滤除带外噪声，减少混叠。控制引脚（如FMT、MODE、OSR、BYPASS等）可以通过连接到GPIO和GND或VDD来实现对器件的配置。DSP或音频处理器作为音频主设备，需要输出PCM1802能够使用的音频时钟，PCM1802作为音频从设备进行音频信号处理。

5.2 设计要点

在设计过程中，需要注意输入滤波器的设计，根据公式 (f_{c}=frac{1}{2 pi R C}) 计算可选RC滤波器的截止频率。同时，要保证系统时钟的质量，在从模式下，需要考虑系统时钟的占空比、抖动以及系统时钟与BCK或LRCK转换之间的时间差。

六、电源供应与布局建议

6.1 电源供应

PCM1802需要5 V的模拟电源和3.3 V的数字电源，电源去耦电容应尽可能靠近器件引脚，以减少电源噪声对器件性能的影响。

6.2 布局指南

在PCB布局方面，数字和模拟电源供应线应通过0.1 - µF陶瓷和10 - µF钽电容旁路到相应的接地引脚。模拟和数字接地应分开，以避免数字噪声反馈到模拟接地。VIN引脚建议使用1 - µF电容进行交流耦合，VREF1和VREF2引脚需要使用适当的电容来确保低源阻抗。DOUT引脚如果线路较长，建议在PCM1802附近放置缓冲器，以减少数字 - 模拟串扰。

七、总结

PCM1802以其高精度、高性能、灵活的接口和低成本等优势，成为音频处理领域中一款极具竞争力的A/D转换器。在设计过程中，电子工程师需要充分了解其特性和规格参数，合理进行电路设计和PCB布局，以确保器件能够发挥最佳性能。同时，要注意ESD防护和电源供应的稳定性，避免因外界因素影响器件的正常工作。你在使用PCM1802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。