探索AK5720：高性能24位音频ADC的技术剖析

在音频数字化的浪潮中，模数转换器（ADC）扮演着至关重要的角色。今天，我们将深入探讨旭化成（AsahiKASEI）的AK5720——一款专为数字音频系统打造的低电压24位A/D转换器。

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一、AK5720概述

AK5720具有诸多特性，使其在音频处理领域脱颖而出。它内置输入增益放大器，适用于麦克风应用，且采用单端模拟信号输入，无需外部滤波器。其采用节省空间的16引脚TSSOP封装，为设计带来更多便利。

1. 基本参数

• 分辨率：高达24位，能够提供高精度的音频数据转换。
• 采样频率：支持8kHz - 96kHz，可满足不同音频应用的需求。
• 音频数据格式：采用MSB First、2’s compliment格式，支持24位MSB justified、I2S和TDM。
• 电源电压：VA和VD范围为2.7 - 5.5V，典型值为3V和5V。
• 工作温度：-40 - 105°C，具备较宽的工作温度范围，适应不同的工作环境。

2. 功能特性

• 增益放大器：提供0dB和+15dB两种增益选择，可根据实际需求灵活调整输入信号的增益。
• 数字高通滤波器：用于消除直流偏移，截止频率为1.0Hz（@fs = 48kHz），且随采样率（fs）缩放。
• 高信噪比：S/(N + D)可达94dB，DR和S/N可达102dB，能够有效减少噪声干扰，提供清晰的音频信号。

二、引脚配置与功能

1. 引脚布局

AK5720采用16引脚TSSOP封装，各引脚具有特定的功能。例如，VCOM为ADC公共电压输出引脚，RIN和LIN分别为右声道和左声道输入引脚，VSS为接地引脚，VA和VD分别为模拟和数字电源引脚等。

2. 引脚功能

引脚编号	引脚名称	I/O	功能	掉电状态
1	VCOM	O	ADC公共电压输出引脚	(0.5kΩ)通过NMOS下拉至VSS
2	RIN	I	右声道输入引脚	Hi - z
3	LIN	I	左声道输入引脚	Hi - z
4	VSS	-	接地引脚	-
5	VA	-	模拟电源引脚	-
6	VD	-	数字电源引脚	-
7	GSEL	I	输入增益选择引脚，“L”：0dB，“H”：+15dB	Hi - z
8	REGO	O	稳压器输出引脚，通过500Ω下拉至VSS
9	SDTO	O	音频串行数据输出引脚	“L” (VSS)
10	LRCK	I/O	输入/输出通道时钟引脚	Hi - z
11	MCLK	I	主时钟输入引脚	Hi - z
12	BICK	I/O	音频串行数据时钟引脚	Hi - z
13	PDN	I	复位与掉电引脚，“L”：复位与掉电，“H”：正常工作	Hi - z
14	DIF/TDMI	I	音频数据格式选择引脚，“L”：MSB justified，“H”：I2S；TDM数据输入引脚	Hi - z
15	FSEL	I	数字滤波器选择引脚，“L”：Sharp Roll - Off，“H”：Short Delay Sharp Roll - Off	Hi - z
16	CKS	I	模式选择引脚，引脚寄生电容应小于20pF	Hi - z

3. 未使用引脚处理

未使用的I/O引脚必须适当连接，例如模拟输入引脚RIN和LIN应保持开路。

三、电气特性

1. 绝对最大额定值

• 电源电压：VA和VD的范围为 - 0.3 - 6.0V。
• 输入电流：除电源引脚外，任何引脚的输入电流不得超过±10mA。
• 模拟输入电压：LIN和RIN引脚的输入电压范围为 - 0.3 - VA + 0.3V。
• 数字输入电压：数字输入引脚的电压范围为 - 0.3 - VD + 0.3V。
• 环境温度：工作环境温度范围为 - 40 - 105°C，存储温度范围为 - 65 - 150°C。

2. 推荐工作条件

• 电源电压：VA和VD的范围为2.7 - 5.5V，典型值为3V或5V。

3. 模拟特性

在不同电源电压（VA = VD = 5.0V和VA = VD = 3.0V）下，AK5720展现出良好的模拟性能。例如，在VA = VD = 5.0V时，增益为0dB时输入电压范围为2.7 - 3.3Vpp，S/(N + D)可达94dB；增益为+15dB时，输入电压范围为0.48 - 0.58Vpp，S/(N + D)可达80dB。

4. 滤波器特性

• 抽取低通滤波器（LPF）：有Sharp Roll - Off和Short Delay Sharp Roll - Off两种模式可供选择，不同采样频率（48kHz和96kHz）下的通带和阻带特性有所不同。
• 高通滤波器（HPF）：用于消除直流偏移，截止频率随采样率缩放。

5. 直流特性

包括高电平输入电压、低电平输入电压、高电平输出电压、低电平输出电压和输入泄漏电流等参数。

6. 开关特性

涉及主时钟、LRCK时钟和音频接口的时序要求，确保数据的准确传输。例如，主时钟频率有256fs、384fs、512fs和768fs等多种选择，不同频率下的脉冲宽度要求也不同。

四、功能描述

1. 系统时钟

在从模式下，需要MCLK、BICK和LRCK时钟，且LRCK时钟输入必须与MCLK同步。在主模式下，必须提供主时钟（MCLK）。不同采样频率对应不同的系统时钟频率，具体关系可参考相关表格。

2. 音频接口格式

通过CKS引脚的外部电阻值和连接方式，以及DIF/TDMI引脚，可设置MCLK频率、BICK频率与fs的关系，以及主/从模式。音频数据可采用24位MSB justified和I2S两种格式输出，且支持主模式和从模式。

3. 数字高通滤波器

用于消除直流偏移，截止频率为1.0Hz（@fs = 48kHz），并随采样率缩放。

4. 掉电模式

将PDN引脚置为“L”可使AK5720进入掉电模式，同时数字滤波器也会复位。掉电模式下，VCOM变为VSS电平，退出掉电模式后，SDTO输出数据在主模式下经过4129个LRCK时钟周期、在从模式下经过4132个LRCK时钟周期后变为有效。

5. 系统复位

上电后，应将PDN引脚置为“L”对AK5720进行一次复位。在从模式下，在LRCK的上升沿（I²C兼容模式下为下降沿）释放复位和掉电；在主模式下，通过MCLK输入释放复位和掉电。

6. TDM级联模式

在TDM256模式下，最多可将四个设备级联，通过连接SDTO和TDMI引脚，可从最后一个设备的SDTO引脚输出8通道TDM数据。

五、推荐外部电路

AK5720需要注意电源和接地布置，提供了评估板（AKD5720），展示了应用电路、最佳布局、电源安排和测量结果。所有数字输入引脚不应浮空。

六、总结

AK5720凭借其高精度、高信噪比、灵活的增益选择和丰富的功能特性，成为数字音频系统中一款优秀的模数转换器。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择工作模式、设置引脚参数，并注意电源和接地等方面的设计，以充分发挥AK5720的性能优势。你在使用类似ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。