探索AK5701：16位立体声ADC的卓越性能与应用

在当今的电子设备中，音频处理是一个至关重要的环节。AsahiKASEI推出的AK5701 16位立体声ADC，凭借其丰富的功能和出色的性能，在音频领域展现出了强大的竞争力。本文将深入剖析AK5701的特点、工作模式、接口格式以及系统设计等方面，为电子工程师提供全面的参考。

文件下载：AK5701VN.pdf

一、AK5701概述

AK5701是一款具备16位分辨率的立体声ADC，专为便携式应用设计。其输入电路集成了麦克风放大器和ALC（自动电平控制）电路，非常适合具有录音功能的设备。片上PLL支持手机的基带时钟，便于与DSP连接。此外，它采用24引脚QFN封装，相比同类产品占用更少的电路板空间。

1.1 主要特性

• 分辨率：16位，能够提供高精度的音频转换。
• 录音功能：具备2个立体声输入选择器，支持全差分或单端输入。麦克风放大器提供+30dB/+15dB或0dB的增益选择，输入电压在VA = 3.0V时可达1.8Vpp。ADC性能方面，在不同增益下，S/(N+D)、DR和S/N等指标表现出色。同时，还配备数字HPF用于直流偏移消除，以及数字ALC实现自动电平控制。
• 采样率：支持多种采样率模式，包括PLL从模式和主模式，以及EXT从模式，采样率范围从7.35kHz到48kHz。
• PLL输入时钟：MCKI引脚支持多种时钟频率，如27MHz、26MHz等；EXLRCK引脚为1fs；EXBCLK引脚为32fs/64fs。
• 主/从模式：通过M/S位选择主模式或从模式，方便与不同的系统进行集成。
• 音频接口格式：采用MSB优先、2的补码格式，支持DSP模式、16位MSB对齐和I2S格式。
• μP接口：采用3线串行接口，便于与微处理器进行通信。
• 电源：AVDD为2.4 - 3.6V，DVDD为1.6 - 3.6V，电源电流为8mA。
• 工作温度范围：AK5701VN为 -30 - 85°C，AK5701KN为 -40 - 85°C。
• 封装：24引脚QFN（4mm x 4mm）。

二、AK5701的工作模式

2.1 系统时钟模式

AK5701提供了五种时钟模式与外部设备进行接口，包括PLL主模式、PLL从模式1（PLL参考时钟为MCKI引脚）、PLL从模式2（PLL参考时钟为EXLRCK或EXBCLK引脚）、EXT从模式和EXT主模式。不同模式下，各时钟引脚的状态和功能有所不同，工程师可以根据具体需求进行选择。

2.2 主/从模式

M/S位用于选择主模式或从模式。当AK5701处于掉电模式（PDN引脚为“L”）并退出复位状态时，默认为从模式；退出复位状态后，将M/S位设置为“1”可切换到主模式。

2.3 PLL模式

当PMPLL位为“1”时，集成的模拟锁相环（PLL）会根据PLL3 - 0和FS3 - 0位选择生成时钟。PLL锁定时间在不同的设置下有所差异，具体可参考相关表格。在PLL模式下，采样频率可以通过FS3 - 0位进行选择，不同的参考时钟输入（MCKI、EXLRCK或EXBCLK）对应不同的设置方式。

2.4 旁路模式

当THR位为“1”，M/S位为“0”，PMADL位为“0”且PMADR位为“0”时，EXLRCK、EXBCLK和EXSDTI引脚的输入时钟和数据分别旁路到LRCK、BCLK和SDTO引脚；当THR位为“1”，M/S位为“0”且PMADL位为“1”或PMADR位为“1”时，EXLRCK和EXBCLK引脚的输入时钟旁路到LRCK和BCLK引脚，ADC数据从SDTO引脚输出。

三、音频接口格式

AK5701提供四种数据格式，通过设置DIF1 - 0位进行选择。在所有模式下，串行数据采用MSB优先、2的补码格式。音频接口格式在主模式和从模式下均可使用，但DSP模式1仅支持PLL主模式。不同模式下，SDTO数据的输出时机由BCKP和MSBS位控制。

四、功能模块

4.1 单声道/立体声选择

通过PMADL、PMADR和MIX位可以选择ADC输出数据的单声道或立体声模式。ALC操作或数字音量操作会应用到相应的数据上。

4.2 数字高通滤波器

ADC内置数字高通滤波器用于直流偏移消除，截止频率由HPF1 - 0位选择，并与采样率（fs）成比例。

4.3 MIC/LINE输入选择器

AK5701具有输入选择器，通过MDIF1和MDIF2位确定输入类型（单端或全差分），INL和INR位选择具体的输入引脚。

4.4 MIC增益放大器

MIC增益放大器的增益由MGAIN1 - 0位选择，典型输入阻抗在不同增益设置下有所不同。

4.5 MIC电源

当PMMP位为“1”时，MPWR引脚为麦克风提供电源，输出电压典型值为0.75 x AVDD，负载电阻最小为0.5kΩ。

4.6 ALC操作

ALC（自动电平控制）在ALC位为“1”时由ALC模块执行，包括ALC限幅器操作和ALC恢复操作。限幅器操作会在输入信号超过检测电平时自动衰减IVL和IVR值；恢复操作在限幅器操作完成后等待一定时间，若输入信号未超过恢复等待计数器复位电平，则自动增加IVL和IVR值。

4.7 输入数字音量（手动模式）

当ALC位为“0”时，输入数字音量进入手动模式。IVL7 - 0和IVR7 - 0位设置音量控制的增益，IVOL值在零交叉或超时时刻改变，零交叉超时周期由ZTM1 - 0位设置。

五、系统设计

5.1 接地和电源去耦

AK5701对电源和接地安排有严格要求。AVDD和DVDD通常由系统的模拟电源供电，AVSS和DVSS应连接到模拟接地平面。系统模拟地和数字地应在电源引入印刷电路板附近连接。去耦电容应尽可能靠近AK5701，小值陶瓷电容应最靠近芯片。

5.2 电压参考

VCOM是芯片的信号地，通过在VCOM引脚连接2.2μF电解电容和0.1μF陶瓷电容并联，可以消除高频噪声的影响。应避免从VCOM引脚吸取负载电流，并将所有信号（特别是时钟）远离VCOM引脚，以防止不必要的耦合。

5.3 模拟输入

模拟输入支持单端或全差分输入，输入电阻在不同增益设置下有所不同。输入信号范围与AVDD成比例，通常采用电容进行交流耦合。ADC输出数据格式为2的补码，内部HPF可去除直流偏移。

六、控制序列

6.1 时钟设置

在ADC上电时，必须提供时钟。不同的时钟模式（PLL主模式、PLL从模式、EXT从模式、EXT主模式等）有相应的时钟设置序列，包括设置相关寄存器位、等待PLL锁定等步骤。

6.2 MIC输入录音（立体声）

在进行MIC输入录音时，首先要根据“时钟设置”序列提供时钟，然后设置采样频率、MIC输入、ALC相关参数等，最后开启MIC和ADC电源，开始录音。

6.3 时钟停止

当ADC不使用时，可以停止主时钟。不同时钟模式下的时钟停止序列有所不同，主要包括关闭PLL、停止相关时钟输出等操作。

七、封装与标记

AK5701采用24引脚QFN封装，封装材料为环氧树脂，引脚框架材料为铜，表面处理为无铅焊料镀层。标记包括型号和日期代码标识符。

八、总结

AK5701作为一款功能强大的16位立体声ADC，在音频处理领域具有广泛的应用前景。其丰富的功能、灵活的工作模式和良好的性能，为电子工程师提供了更多的设计选择。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、设置相关参数，并注意系统设计中的接地、电源去耦等问题，以充分发挥AK5701的优势。你在使用AK5701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。