AK5574：高性能4通道差分32位ΔΣ ADC详析

在数字音频系统领域，ADC（模拟 - 数字转换器）的性能对音频质量起着至关重要的作用。AsahiKASEI的AK5574是一款专为数字音频系统设计的4通道差分32位ΔΣ ADC，它具备诸多出色特性，能满足多种音频应用场景的需求。

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一、产品概述

AK5574属于AK557x系列，是一款32位、768 kHz采样的差分输入A/D转换器。它在实现121 dB动态范围和112 dB S/(N+D)的同时，还能保持低功耗性能。该芯片集成了4通道A/D转换器，适用于混音器和多通道录音机。此外，它集成了四种数字滤波器，可根据音质偏好进行选择，支持TDM音频格式，方便与DSP连接，还支持高达11.2MHz的DSD输出。通过通道求和模式，能进一步提升动态范围性能，在4-to-2模式下动态范围可提升至124 dB，4-to-1模式下可提升至127 dB。

二、产品特性

2.1 基本参数

• 采样率：支持8 kHz - 768 kHz的采样率，能适应不同音频应用的需求。
• 输入：采用全差分输入，有效减少干扰，提高信号质量。
• S/(N+D)和DR：S/(N+D)达到112 dB，动态范围（DR）在非求和模式下为121 dB，4-to-2模式下为124 dB，4-to-1模式下为127 dB，保证了高音质输出。
• S/N：A加权下，非求和模式为121 dB，4-to-2模式为124 dB，4-to-1模式为127 dB。
• 内部滤波器：包含四种类型的LPF（低通滤波器）和数字HPF（高通滤波器），可根据需要灵活选择。
• 电源：模拟电源范围为4.75 - 5.25 V，数字电源有两种选择，分别是1.7 - 1.98 V或3.0 - 3.6 V。
• 输出格式：PCM模式支持24/32位MSB对齐、I2S或TDM格式；DSD模式支持DSD Native 64、128、256。在TDM模式下，通过优化数据放置模式可实现最大槽效率。

2.2 其他特性

• 级联TDM接口：支持TDM512（fs = 48 kHz）、TDM256（fs = 96 kHz或48 kHz）、TDM126（fs = 192 kHz、96 kHz或48 kHz）。
• 工作模式：具备主模式和从模式，可根据实际应用灵活配置。
• 检测功能：拥有输入溢出标志检测功能，方便监控输入信号状态。
• 串行接口：支持3线串行和I2C μP接口，还可进行引脚设置。
• 功耗：在AVDD = 5.0 V、TVDD = 3.3 V、fs = 48 kHz的条件下，功耗为275 mW。
• 封装：采用48引脚QFN封装，便于安装和布局。

三、引脚配置与功能

3.1 引脚配置

AK5574的引脚配置较为复杂，涵盖了模拟输入、电源、时钟、数据输出等多种功能引脚。例如，AIN1P - AIN4P和AIN1N - AIN4N为模拟输入引脚，用于输入音频信号；AVDD和AVSS为模拟电源和地引脚；MCLK为时钟输入引脚等。

3.2 引脚功能

不同引脚具有不同的功能，且在电源关闭状态下有不同的表现。例如，NC引脚无内部连接，需连接到AVSS；VREFL1和VREFH1分别为ADC低电平和高电平参考电压输入引脚，在电源关闭时呈高阻态。

3.3 未使用引脚处理

对于未使用的I/O引脚，在PCM模式和DSD模式下有不同的处理方式。在PCM模式下，模拟引脚如AIN1 - 4P、AIN1 - 4N等需根据情况进行连接；数字引脚如TDMIN、TEST等需连接到DVSS。在DSD模式下，也有相应的连接要求，以确保芯片正常工作。

四、电气特性

4.1 绝对最大额定值

了解芯片的绝对最大额定值对于正确使用芯片至关重要。AK5574的电源电压、输入电流、输入电压等都有相应的限制。例如，模拟电源（AVDD）的范围为 - 0.3 V至6.0 V，数字接口电源（TVDD）为 - 0.3 V至4.0 V，数字核心电源（VDD18）为 - 0.3 V至2.5 V。操作时需严格遵守这些限制，否则可能导致设备永久性损坏。

4.2 推荐操作条件

为了使芯片达到最佳性能，需要遵循推荐的操作条件。例如，模拟电源（AVDD）的推荐范围为4.75 - 5.25 V，数字接口电源（TVDD）在不同情况下有不同要求，当LDOE引脚为“L”时，范围为1.7 - 1.98 V；当LDOE引脚为“H”时，范围为3.0 - 3.6 V。同时，VREFH1 - 2和VREFL1 - 2的电压也有相应的限制。

4.3 模拟特性

在模拟特性方面，AK5574表现出色。其分辨率为32位，输入电压范围为±2.7 - ±2.9 Vpp。在不同采样率和输入电平下，S/(N+D)和动态范围等指标都有良好的表现。例如，在fs = 48 kHz、BW = 20 kHz、 - 1 dBFS的条件下，S/(N+D)可达112 dB。

4.4 滤波器特性

芯片集成了四种数字滤波器，分别为SHARP ROLL - OFF、SLOW ROLL - OFF、SHORT DELAY SHARP ROLL - OFF和SHORT DELAY SLOW ROLL - OFF。不同滤波器在通带、阻带、阻带衰减和群延迟等方面有不同的特性。例如，SHARP ROLL - OFF滤波器在fs = 48 kHz时，通带为0 - 24.4 kHz（+0.001/ - 0.06 dB），阻带为27.9 kHz，阻带衰减为85 dB。

4.5 DC特性

DC特性包括输入电压、输出电压和输入泄漏电流等参数。在不同的TVDD电压下，高电平输入电压和低电平输入电压有不同的要求。例如，当TVDD = 3.0 - 3.6 V（LDOE引脚为“H”）时，高电平输入电压（VIH）为70%TVDD，低电平输入电压（VIL）为30%TVDD。

4.6 开关特性

开关特性涉及时钟频率、占空比、音频接口时序等参数。例如，主时钟频率（fCLK）范围为2.048 - 49.152 MHz，占空比（dCLK）为45 - 55%。在不同的TDM模式和速度模式下，LRCK频率和BICK周期等参数也有相应的要求。

五、功能描述

5.1 数字核心电源

AK5574的数字核心由1.8 V电源供电。通常，该电压由内部LDO从TVDD（3.3 V）生成。可通过LDOE引脚控制LDO的开关，当TVDD为1.8 V时，需将LDOE引脚设置为“L”，并外部提供1.8 V电源给VDD18引脚。

5.2 输出模式

芯片可输出PCM或DSD数据，通过DP引脚或DP位选择输出模式。在更改PCM/DSD模式时，需将PW2、PW1、PW0引脚设置为“L”或RSTN位设置为“0”或PW4 - 1位设置为“0H”以重置所有通道。

5.3 主模式和从模式

在PCM模式下，AK5574需要主时钟（MCLK）、音频串行数据时钟（BICK）和输出通道时钟（LRCK）。主模式和从模式均可使用，通过MSN引脚控制。在DSD模式下，仅支持主模式。

5.4 系统时钟

5.4.1 PCM模式

在PCM模式下，需要外部系统时钟MCLK、BICK和LRCK。MCLK频率根据操作模式和LRCK频率确定。更改时钟模式或音频接口格式时，需重置所有通道，并在释放重置后提供稳定的时钟。

5.4.2 DSD模式

在DSD模式下，仅需要MCLK。AK5574从MCLK输入生成DCLK，并使DSD数据输出与DCLK同步。MCLK频率可通过DCKS引脚更改，退出重置后，在输入MCLK之前，芯片处于掉电状态。

5.5 音频接口格式

5.5.1 PCM模式

在PCM模式下，可通过TDM1 - 0引脚、MSN引脚和DIF1 - 0引脚选择48种音频接口格式。不同格式下，数据的输出方式和时钟频率等参数有所不同。例如，在正常模式（非TDM）下，AIN1和AIN2的A/D转换数据从SDTO1引脚输出，AIN3和AIN4的A/D转换数据从SDTO2引脚输出。

5.5.2 DSD模式

DSD输出仅在主模式下可用。可通过DSDSEL1 - 0引脚选择DCLK频率，设置PMOD引脚可使芯片进入相位调制模式，但DCLK频率为256fs时不支持该模式。

5.6 通道求和

通道求和功能可通过对多通道A/D数据进行平均来提高动态范围和S/N性能。AK5574支持4-to-2模式（立体声模式）和4-to-1模式（单声道模式），在不同模式下可提升不同程度的性能。

5.7 最优数据放置模式

在并行控制模式下，通过ODP引脚设置可控制分配到SDTO1/2槽的数据。当ODP引脚为“L”时，采用固定数据放置模式；当ODP引脚为“H”时，采用最优数据放置模式，可更有效地利用数据槽，增加级联连接的设备数量。

5.8 CH电源关闭和通道求和

在并行模式和串行模式下，通道电源关闭和通道求和的设置方式不同。在并行模式下，通过PW2 - 0引脚和ODP引脚控制；在串行模式下，通过PW1 - 4位控制通道电源，通过MONO1和MONO2位控制通道求和。

5.9 数据槽配置

5.9.1 PCM模式

在PCM模式下，不同的TDM模式有不同的数据槽分配方式。例如，在正常输出模式下，SDTO1引脚对应槽1和槽2，SDTO2引脚对应槽3和槽4；在TDM128模式下，SDTO1引脚对应槽1 - 4，SDTO2引脚为全“0”。

5.9.2 DSD模式

在DSD模式下，DSDOL1引脚对应槽1，DSDOR1引脚对应槽2，DSDOL2引脚对应槽3，DSDOR2引脚对应槽4。

5.10 数字滤波器设置

在PCM模式下，可通过SD引脚和SLOW引脚选择四种数字滤波器。但在OCT速度模式、HEX速度模式和DSD模式下，滤波器设置无效。

5.11 数字HPF

AK5574的数字高通滤波器用于消除DC偏移，通过HPFE引脚启用。在OCT速度模式、HEX速度模式和DSD模式下，HPF不可用。

5.12 溢出检测

5.12.1 PCM模式

在PCM模式下，当AIN1 - 4通道中的任何一个溢出（超过 - 0.3 dBFS）时，OVF引脚输出“H”，溢出解决后返回“L”。

5.12.2 DSD模式

在DSD模式下，当任何通道的DSD调制器溢出时，OVF引脚输出“H”，溢出解决后返回“L”。

5.13 LDO

LDO的开关由LDOE引脚根据TVDD电压控制。当TVDD为1.7 - 1.98 V时，LDO关闭；当TVDD为3.0 - 3.6 V时，LDO开启。

5.14 重置

在电源上电或更改时钟设置或时钟频率时，需要重置AK5574。可通过PDN引脚和PW2 - 0引脚或RSTN位和PW4 - 1位进行重置。

5.15 掉电功能/序列

将PDN引脚设置为“L”可使芯片进入掉电模式，同时数字滤波器重置。在PCM模式和DSD模式下，掉电和上电的操作和时序有所不同。

5.16 操作模式控制

AK5574的操作模式可通过引脚或寄存器设置。在并行模式下，通过引脚设置操作模式，寄存器设置无效；在串行控制模式下，寄存器设置优先，除MSN引脚外的其他引脚设置被忽略。

5.17 寄存器控制接口

5.17.1 3线串行控制模式

在3线串行控制模式下，可通过3线μP接口引脚（CSN、CCLK和CDTI）写入内部寄存器。数据包括2位芯片地址、读写位、寄存器地址和控制数据。操作时需注意时钟速度和写入条件。

5.17.2 I2C总线控制模式

在I2C总线控制模式下，支持快速模式I2C总线（最大400 kHz）。包括写操作和读操作，写操作可进行多字节写入，读操作支持当前地址读和随机地址读。

六、推荐外部电路

6.1 接地和电源去耦

AK5574对电源和接地安排要求较高。AVDD和TVDD通常由系统的模拟电源提供，DVSS和AVSS需连接到同一模拟接地平面。系统的模拟地和数字地应分开布线，并在电源引入印刷电路板的位置附近连接。高频去耦电容应尽可能靠近电源引脚放置。

6.2 参考电压

VREFH1 - 2引脚和VREFL1 - 2引脚之间的差分电压是A/D转换的公共电压。VREFL1 - 2引脚通常连接到AVSS，为去除高频噪声，需在VREFH1 - 2引脚和模拟5 V电源之间连接20 Ω电阻，并在VREFH1 - 2引脚和VREFL1 - 2引脚之间并联0.1 μF陶瓷电容和100 μF电解电容。

6.3 模拟输入

模拟输入信号通过AINn+和AINn - 引脚差分输入到调制器。输入电压为ALINn+和ALINn - 引脚之间的差值，满量程信号标称值为±2.8 V（典型值）。输入电压应在AVSS到AVDD之间，输出代码格式为二进制补码。内部HPF可去除DC偏移。

6.4 外部模拟电路示例

对于2021年10月以后生产的产品，推荐使用特定的输入缓冲电路。该电路可通过XLR或BNC连接器输入模拟信号，输入电平为14.9 Vpp。设置输入信号的DC偏置电压在0.502 × AVDD至0.522 × AVDD范围内，可获得最佳特性。

七、总结

AK5574作为一款高性能的4通道差分32位ΔΣ ADC，在数字音频系统中具有广泛的应用前景。其丰富的功能和出色的性能使其能够满足不同音频应用的需求。然而，在使用过程中，需要严格遵循其电气特性和操作要求，合理设计外部电路，以确保芯片发挥最佳性能。同时，在实际应用中，还需考虑芯片的适用范围和注意事项，避免因不当使用导致设备损坏或性能下降。你在使用AK5574的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。