探索PCM1801：低成本立体声模数转换器的卓越性能与应用

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们要深入了解一款来自德州仪器（Texas Instruments）的低成本单芯片立体声模数转换器——PCM1801。它具有单端模拟电压输入，适用于各种对成本敏感且对性能有要求的消费类应用。

文件下载：pcm1801.pdf

一、PCM1801的特性亮点

1. 高性能转换核心

PCM1801采用双16位单片ΔΣ ADC架构，具备单端电压输入功能，并且内置了抗混叠滤波器。其64倍过采样抽取滤波器表现出色，通带纹波仅为±0.05 dB，阻带衰减达到 -65 dB，能够有效减少信号失真和噪声干扰。

2. 出色的模拟性能

在模拟性能方面，PCM1801的总谐波失真加噪声（THD+N）典型值为 -88 dB，信噪比（SNR）和动态范围典型值均为93 dB，为音频信号的高质量转换提供了可靠保障。同时，内部集成的高通滤波器可以进一步优化信号质量。

3. 灵活的接口与时钟配置

该转换器支持PCM音频接口，包括左对齐和I2S两种数据格式，方便与不同的音频系统进行连接。采样率范围为4 kHz至48 kHz，系统时钟可选择256 fS、384 fS或512 fS，能够满足多样化的应用需求。

4. 低功耗与小封装

PCM1801采用单5V电源供电，功耗较低。并且采用小型SO - 14封装，节省了电路板空间，适合对尺寸有严格要求的设计。

二、应用领域广泛

PCM1801的出色性能使其在多个领域得到了广泛应用，如DVD录像机、DVD接收器、AV放大器接收器以及电子乐器等。在这些应用中，它能够将模拟音频信号准确地转换为数字信号，为后续的处理和存储提供基础。

三、技术细节剖析

1. 工作原理

PCM1801主要由带隙基准、两个单端转差分转换器、全差分5阶ΔΣ调制器、抽取滤波器（包括数字高通滤波器）和串行接口电路组成。内部高精度基准配合两个外部电容，为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。单端转差分电压转换器节省了设计空间和外部电路所需的额外元件。输入信号以64倍过采样率进行采样，无需采样保持电路，简化了抗混叠滤波要求。5阶ΔΣ噪声整形器由五个采用开关电容拓扑的积分器、一个比较器和一个由1位数模转换器（DAC）组成的反馈回路构成，能够将量化噪声移出音频频段。抽取滤波器将调制器输出的64 - fS、1位数据流转换为1 - fS、16位数字数据，并作为低通滤波器去除量化噪声。数字高通滤波器去除直流分量，最终通过串行接口将滤波后的输出转换为时分复用的串行信号。

2. 系统时钟与复位

系统时钟必须为256 fS、384 fS或512 fS，通过SCKI（引脚5）提供。PCM1801具备系统时钟检测电路，当使用384 - fS或512 - fS系统时钟时，会自动将时钟分频为256 fS。内部上电复位电路在电源电压（VCC / VDD）超过4 V（典型值）时初始化。在电源上电时，必须尽快提供系统时钟，并且在VDD > 4 V之前，设备至少要接收三个系统时钟周期。在VCC / VDD < 4 V（典型值）以及VCC / VDD > 4 V后的1024个系统时钟周期内，PCM1801处于复位状态，数字输出被强制为零。复位状态解除18,436 fS周期后，数字输出有效。

3. 串行音频数据接口

PCM1801通过BCK（引脚6）、LRCK（引脚7）和DOUT（引脚8）与音频系统进行接口。它支持左对齐格式的64 - BCK/LRCK、48 - BCK/LRCK（仅适用于384 - fS系统时钟）或32 - BCK/LRCK格式，以及I2S格式的64 - BCK/LRCK或48 - BCK/LRCK格式（仅适用于384 - fS系统时钟）。数据格式通过FMT控制输入（引脚10）选择，可选择16位左对齐或16位I2S格式。

4. 同步与HPF旁路控制

PCM1801的LRCK与系统时钟（SCKI）同步工作，虽然不要求LRCK和SCKI之间有特定的相位关系，但需要二者同步。如果在一个采样周期内，由于LRCK或SCKI抖动导致LRCK和SCKI之间的关系变化超过6个比特时钟（BCK），ADC的内部操作将在1/f内停止，数字输出被强制为BPZ，直到重新同步。内置的直流分量抑制功能可以通过BYPAS（引脚9）控制进行旁路，在旁路模式下，输入模拟信号的直流分量和内部直流偏移等也会被转换并输出到数字输出数据中。

四、应用设计注意事项

1. 电路板设计与布局

• 电源引脚：数字和模拟电源线路应尽可能靠近引脚，使用0.1 - μF陶瓷电容和10 - μF钽电容旁路到相应的接地引脚，以提高ADC的动态性能。建议使用一个公共电源，避免电源排序导致的意外问题。
• 接地引脚：模拟地（AGND）和数字地（DGND）内部未连接，应确保它们具有低阻抗，以避免数字噪声反馈到模拟地。在PCM1801封装下方直接连接二者，减少潜在的噪声问题。
• 输入引脚：建议使用1.0 - μF钽电容作为交流耦合电容，建立5.3 - Hz截止频率。如果需要更高的满量程输入电压，可以在VIN引脚添加串联电阻来增加输入电压范围。
• 参考引脚：为确保低源阻抗，建议在VREF1和VREF2与AGND之间使用4.7 - μF钽电容，并尽可能靠近引脚，以减少ADC参考上的动态误差。
• 输出引脚：DOUT引脚具有较大的负载驱动能力，但建议在PCM1801附近放置一个缓冲器，并尽量减小负载电容，以最小化数字 - 模拟串扰，提高ADC的动态性能。
• FMT引脚：一般根据接口要求将FMT引脚连接到DGND或VDD以选择音频数据格式。如果在PCM1801上电前应用系统无法确保有效的系统时钟，且需要I2S格式，则必须在电源复位序列完成后将FMT引脚设置为高电平。可以通过连接一个延迟时间大于1 ms的C - R延迟电路来实现该输入控制。
• 系统时钟：系统时钟的质量会影响PCM1801的动态性能，必须仔细管理系统时钟输入引脚的占空比、抖动和阈值电压。在为器件供电时，应同时提供系统时钟、比特时钟（BCK）和字时钟（LRCK）。如果未提供音频时钟，功耗可能会增加到正常功耗的三倍，并且如果超过最大功耗限制，可能会降低长期可靠性。

2. 典型电路连接

典型电路连接图展示了一个输入高通滤波器截止频率约为5 Hz的电路。其中，C1和C2为1 - μF电容，在正常操作中为输入高通滤波器提供5.3 - Hz截止频率，上电时需要30 ms的上电设置时间；C3和C4为旁路电容，可根据布局和电源选择0.1 - μF陶瓷电容和10 - μF钽电容或铝电解电容；C5和C6为4.7 - μF钽电容或铝电解电容。

五、总结

PCM1801以其丰富的特性、出色的性能和灵活的设计，为电子工程师在音频处理和转换领域提供了一个优秀的选择。在实际应用中，合理的电路板设计和布局以及对系统时钟等关键参数的精确控制，能够充分发挥其优势，实现高质量的音频信号转换。各位工程师在设计过程中，不妨根据具体需求深入挖掘PCM1801的潜力，你是否在以往的设计中遇到过类似ADC的应用难题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。