TLV320AIC1110 PCM编解码器：功能特性与设计要点详解

在现代电子设备中，音频处理是一个至关重要的环节。PCM编解码器作为音频信号处理的核心组件，广泛应用于各类通信和音频设备中。今天，我们就来详细探讨德州仪器（Texas Instruments）推出的TLV320AIC1110 PCM编解码器，看看它有哪些特性和设计要点，能为我们的电子设计带来怎样的帮助。

文件下载：tlv320aic1110.pdf

一、TLV320AIC1110概述

TLV320AIC1110是一款专为模拟和数字无线手持设备及电信应用而设计的PCM编解码器。它工作在2.7 - 3.3V电压范围内，具备多种强大的功能，能满足不同应用场景下的音频处理需求。

功能特性总结

1. 输入输出接口丰富：拥有两个差分麦克风输入，差分耳机输出和一个单端耳机输出，还具备耳机和麦克风静音功能，方便在不同音频场景下进行灵活控制。
2. 路径可编程：可编程的发送、接收和侧音路径，增益和衰减范围广泛，能适应各种音频信号的处理需求。
3. 编码模式多样：支持15位线性数据或8位压扩（μ-law和A-law）模式，可通过I²C接口进行选择，满足不同的通信标准和音质要求。
4. 时钟支持灵活：支持128 kHz和2.048 MHz的PCM时钟速率，能与多种系统时钟进行适配。
5. 其他功能：具备脉冲密度调制（PDM）蜂鸣器输出、片上I²C总线接口、双音多频（DTMF）和单音发生器、2通道辅助多路复用器（MUX）等功能，还能驱动低至8Ω的扬声器，并且有可编程的掉电模式，以降低功耗。

应用场景

该编解码器适用于数字手持设备、数字耳机、无绳电话、数字专用自动交换机（PABX）以及数字语音记录等多种应用场景。

二、技术细节剖析

1. 电源与复位

为了提高设备的噪声性能，其数字和模拟电路的电源是分开的。上电时，需要在低电平有效RESET端子施加外部复位信号，以确保设备复位并进入工作状态。初始上电序列完成后，可通过I²C接口向电源控制寄存器写入数据，实现设备的功能上电和掉电操作。此外，还有引脚可选的默认上电模式，即使不使用微控制器，也能使PCM编解码器以默认模式上电工作。

2. 参考电压

芯片内部会生成一个精密的带隙参考电压，为发送和接收通道提供所需的电压参考。同时，在MBIAS端子为驻极体麦克风提供偏置电压，在REXT端子需要连接一个外部精密电阻来设置参考电流。

3. I²C控制接口

I²C接口是一个两线双向串行接口，通过向七个控制寄存器写入数据来控制PCM编解码器，包括电源控制、模式控制、发送和接收增益控制、DTMF路由、音调选择控制和辅助控制等。PWRUPSEL端子有两种上电模式可供选择，不同模式下设备的上电状态和可编程功能的使用方式有所不同。

4. 锁相环（PLL）

PLL通过锁相到2.048 MHz的主时钟输入，为数字滤波器和调制器生成所需的内部时钟频率。

5. PCM接口

PCM接口分别通过PCMO和PCMI端子进行数据的发送和接收。数据在每个PCMSYN周期以PCMCLK速度进行传输。PCMCLK可以直接连接到128 kHz或2.048 MHz的主时钟（MCLK），PCMSYN可以由外部源驱动或从主时钟派生，并用作主机控制器的中断信号。

6. 麦克风放大器

麦克风输入是一个可切换的接口，支持两个差分麦克风输入。第一级是低噪声差分放大器，提供23.5 dB的增益，第二级放大器的增益可选为6 dB或18 dB。

7. 其他模块

• 模拟调制器：发送通道调制器采用三阶 sigma - delta 设计。
• 发送滤波器和PGA：发送滤波器是数字滤波器，满足CCITT G.714要求，发送PGA默认增益为0 dB。
• 侧音：部分发送音频经过衰减后通过侧音路径反馈到接收通道，侧音路径默认处于静音状态，默认增益为 - 12 dB，可通过电源控制寄存器启用。
• 接收音量控制：作为一个衰减器，范围为 - 18 dB至0 dB，以2 dB为步长控制接收通道音量，默认增益为0 dB。
• 接收滤波器和PGA：接收滤波器是满足CCITT G.714要求的数字滤波器，带有可通过I²C接口选择的高通滤波器，默认增益为 - 4 dB。
• 数字调制器和滤波器：将接收到的数字PCM数据转换为耳机接口所需的模拟输出。
• 耳机放大器：模拟信号可以路由到两个耳机放大器中的任意一个，一个是差分输出（EAR1ON和EAR1OP），另一个是单端输出（EAR2O），EAR1差分输出可抑制点击和爆音。
• 音调发生器：可生成标准DTMF音调，输出到蜂鸣器驱动器、接收路径DAC或作为PCMO数据，可选择三种不同的分辨率（7.8125 Hz、15.625 Hz和31.250 Hz）。
• 模拟MUX：模拟开关可将模拟信号源连接到两个不同的负载，通过设置辅助寄存器可重新选择输出。
• DTMF增益MUX：选择信号路径并应用适当的增益设置，使设备在语音模式和音调模式之间切换。

三、电气特性与性能指标

文档中给出了该编解码器在推荐的电源电压和自由空气温度范围内的详细电气特性，包括电源电流、数字接口、麦克风接口、扬声器接口、发送和接收的增益与动态范围、滤波器传输特性、空闲通道噪声和失真，以及电源抑制和串扰衰减等方面的参数。这些参数对于评估编解码器在不同工作条件下的性能和稳定性非常重要，在设计电路时需要根据实际需求进行合理的选择和优化。例如，在设计音频放大电路时，需要参考耳机放大器的输出功率和负载阻抗等参数，以确保获得合适的音量和音质。

四、时序要求

编解码器对各种时钟和信号的时序有严格要求，包括MCLK和PCMCLK的频率、占空比、转换时间、抖动，以及PCMSYN和PCMI的建立时间和保持时间等。同时，I²C总线也有特定的时序要求，如时钟频率、脉冲持续时间、建立时间和保持时间等。在设计电路和编写控制程序时，必须严格遵守这些时序要求，否则可能会导致数据传输错误或设备无法正常工作。大家在实际设计中，有没有遇到过时序不匹配导致的问题呢？

五、工作原理与操作要点

1. 上电初始化

上电时，需要在低电平有效RESET端子施加至少500 ns的外部复位信号，以确保设备复位。所有寄存器在外部复位初始化时会设置为默认值，可在发出上电命令之前通过控制接口对所有可编程功能进行初始化设置。文档中还给出了不同设备状态下的上电和掉电程序及最大功耗。

2. 转换定律

设备可以编程为15位线性或8位（μ-law或A-law）压扩模式，压扩操作近似符合CCITT G.711建议，线性模式使用15位二进制补码格式。

3. 发送操作

• 麦克风输入：麦克风输入级是低噪声差分放大器，提供23.5 dB的前置放大器增益。建议将麦克风电容连接到MIC1N和MIC1P输入，MIC2N和MIC2P输入可用于连接第二个麦克风或辅助音频电路。
• 麦克风静音功能：通过I²C接口设置电源控制寄存器的第6位可选择MICMUTE功能，实现发送通道麦克风信号的80 dB衰减。
• 发送通道增益控制：发送PGA控制寄存器的值控制发送路径的增益，总TX通道增益可在41.5 dB至19.5 dB之间变化，默认总TX通道增益为23.5 dB。

4. 接收操作

• 接收通道增益控制：接收PGA控制寄存器的值控制接收路径的增益，PGA增益可通过I²C接口以1 dB为步长在 - 6 dB至6 dB之间设置，默认接收通道增益为 - 4 dB。
• 侧音增益控制：侧音PGA控制寄存器的值控制侧音增益，侧音增益可通过I²C接口以2 dB为步长在 - 12 dB至 - 24 dB之间设置，可通过设置电源控制寄存器的第7位使侧音静音，默认侧音增益为 - 12 dB。
• 接收音量控制：音量控制PGA控制寄存器的值为耳机提供音量控制，音量控制增益可通过I²C接口以2 dB为步长在0 dB至 - 18 dB之间设置，默认RX音量控制增益为0 dB。
• 耳机放大器：模拟信号可路由到两个耳机放大器中的任意一个，一个能够驱动8Ω负载的差分输出耳机放大器，另一个是能够驱动8Ω负载的单端输出耳机放大器。
• 耳机静音功能：通过I²C接口设置电源控制寄存器的第3位可选择耳机静音功能。
• 接收PCM数据格式：在压扩模式下接收8位数据，先接收最高有效位（MSB）；在线性模式下接收15位数据，同样先接收MSB。

5. DTMF发生器操作与接口

DTMF电路生成用于按键拨号的合成DTMF音调，并为BUZZCON用户警报音提供PDM输出。整数频率值通过公式round tone [Freq (Hz)/resolution (Hz)]确定，并加载到两个8位寄存器（高音调寄存器（04）或低音调寄存器（05））中，加载到高音调寄存器时音调输出高2 dB。DTMF频率分辨率由辅助寄存器（06）的位2、3、4和5控制，可选择不同的分辨率以获得不同的频率范围，增益设置由RXPGA增益控制寄存器控制。

6. 蜂鸣器逻辑部分

单端输出BUZZCON是一个PDM信号，用于通过外部驱动晶体管驱动蜂鸣器。PDM信号由选定的DTMF音调生成，经过接收D/A通道，反馈到发送通道模拟调制器，最终生成PDM信号并路由到BUZZCON输出。

7. 支持部分

时钟发生器和控制电路使用主时钟输入（MCLK）生成内部时钟，驱动内部计数器、滤波器和转换器。通过控制接口可以将寄存器控制数据写入PCM编解码器寄存器并读取回来。

8. I²C总线协议

PCM编解码器的串行接口与I²C总线兼容，在CE为高电平时工作在从模式。接口包括SCL（I²C总线串行时钟）和SDA（I²C总线串行地址/数据输入/输出）两个端子。SDA在SCL为低电平时允许改变数据，SCL为高电平时的变化用于指示开始和停止条件。每次数据传输都以开始条件开始，以停止条件结束，PCM编解码器在接收到每个字节后会生成一个确认信号。

9. 时钟频率和采样率

固定的PCMSYN速率为8 kHz确定了采样率。

10. 寄存器映射与操作

文档详细介绍了各个寄存器的地址、位定义和默认值，包括电源控制寄存器、模式控制寄存器、发送PGA和侧音控制寄存器、接收音量控制寄存器、高音调选择控制寄存器、低音调选择控制寄存器和辅助寄存器等。通过对这些寄存器的设置，可以实现对编解码器各种功能的控制和配置。

六、与其他器件的比较

与TLV320AIC1103相比，TLV320AIC1110在单音频率范围、增益范围、PCMCLK速率、模拟开关、耳机输出驱动阻抗和音调分辨率等方面都有明显的优势。在选择器件时，需要根据具体的设计需求来综合考虑这些因素。那么，在你的设计中，会如何权衡这些因素来选择合适的器件呢？

七、封装信息

TLV320AIC1110提供了32引脚薄四方扁平封装（TQFP）和MicroStar Junior BGA两种封装形式，文档中还给出了不同封装的订购信息、包装数量、载体类型、ROHS合规性、引脚镀层/球材料、MSL评级和回流峰值温度、工作温度范围以及零件标记等详细信息。在进行PCB设计时，需要根据封装尺寸和引脚布局来合理安排元件的位置和布线，以确保电路板的稳定性和可靠性。

综上所述，TLV320AIC1110是一款功能强大、性能出色的PCM编解码器，在音频处理领域具有广泛的应用前景。通过深入了解其功能特性、技术细节和操作要点，我们可以更好地将其应用到实际的电子设计中，为用户带来更优质的音频体验。希望本文能对各位电子工程师在使用TLV320AIC1110进行设计时有所帮助。如果你在使用过程中有任何问题或经验，欢迎在评论区分享交流。