深入剖析PCM1604/PCM1605：高性能音频数模转换器的技术解析

在音频处理领域，数模转换器（DAC）的性能直接影响着音频质量。PCM1604和PCM1605作为两款CMOS单片集成电路，为音频处理带来了出色的解决方案。虽然它们不推荐用于新设计，但对于理解音频DAC技术仍具有重要价值。

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产品概述

PCM1604和PCM1605内部集成了六个24位音频数模转换器，采用Burr - Brown公司的增强型多级Δ - Σ架构，具备4阶噪声整形和8级幅度量化功能，能实现优异的信噪比性能和对时钟抖动的高耐受性。这两款产品引脚与PCM1600、PCM1601兼容，采用LQFP - 48（PCM1604）和MQFP - 48（PCM1605）封装。

关键特性

1. 高精度与高性能

• 高分辨率：支持24位分辨率，能提供更细腻的音频信号转换。
• 出色的模拟性能：动态范围典型值达105dB，信噪比典型值为104dB，总谐波失真加噪声（THD + N）典型值为0.0018%，满量程输出典型值为3.1Vp - p。
• 采样频率范围广：支持10kHz至200kHz的采样频率，能适应多种音频应用需求。

  2. 灵活的数据处理

• 多数据格式支持：可接受16、18、20和24位音频数据，支持标准、I2S和左对齐等行业标准音频数据格式。
• 用户可编程功能丰富：包括0dB至 - 63dB的数字衰减（0.5dB/步）、软静音、零检测静音、数字去加重、数字滤波器滚降选择（锐或慢）等功能。

  3. 电源与接口特性

• 双电源供电：采用 + 5V模拟电源和 + 3.3V数字电源，数字逻辑输入具有5V容限。
• 系统时钟灵活：系统时钟支持128/192/256/384/512/768fS。

技术规格

1. 电气参数

• 分辨率：24位。
• 数据格式：音频数据接口格式用户可选择标准、I2S和左对齐；数据位长度可选择16、18、20、24位，采用MSB - First、二进制补码形式。
• 采样频率：10kHz至200kHz。
• 系统时钟频率：128、192、256、384、512、768fS。

  2. 动态性能

• THD + N：在不同输出电平（0dB和 - 60dB）和采样频率（44.1kHz和96kHz）下有不同表现，如在V = 0dB、f = 44.1kHz时，THD + N典型值为0.0018%。
• 动态范围：EIAJ、A加权，fS = 44.1kHz时典型值为105dB。
• 信噪比：A加权，fS = 44.1kHz和96kHz时典型值均为104dB。
• 通道分离度：A加权，fS = 44.1kHz时典型值为103dB，fS = 96kHz时典型值为102dB。

  3. 直流精度

• 增益误差：± 1.0%的满量程范围（FSR）。
• 双极性零误差：在双极性零处VO = 0.5V时，误差为± 30mV。

  4. 滤波器性能

• 数字滤波器：8倍过采样插值滤波器，阻带衰减 - 82dB，通带纹波± 0.002dB。
• 模拟滤波器：在20kHz时频率响应为 - 0.03dB，在44kHz时为 - 0.20dB。

  5. 电源要求

• 电压范围：VDD为 + 3.0V至 + 3.6V，VCC为 + 4.5V至 + 5.5V。
• 电源电流：不同采样频率下有不同值，如fS = 44.1kHz时，IDD典型值为20mA，ICC典型值为40mA。
• 功耗：fS = 44.1kHz时典型值为266mW，fS = 96kHz时典型值为349mW。

引脚配置与功能

1. 引脚分类

• 模拟引脚：包括模拟地（AGND）、模拟电源（VCC）和音频电压输出（VOUT）等。
• 数字引脚：如系统时钟输入（SCKI）、系统时钟输出（SCKO）、串行音频数据输入（DATA1 - 3）、串行控制接口引脚（MDI、MDO、MC、ML）等。
• 其他引脚：如零数据标志（ZERO）、测试引脚（TEST）等。

  2. 引脚功能

• 零数据标志：ZERO1 - 6可作为对应通道的零数据标志，也可作为通用输出引脚。
• 系统时钟：SCKI输入系统时钟，SCKO可输出缓冲后的时钟，其频率可通过控制寄存器编程设置。
• 音频数据接口：通过LRCK、BCK和DATA1 - 3实现音频数据的同步传输。
• 串行控制接口：通过MDI、MDO、MC和ML实现对芯片内部模式寄存器的编程和读取。

系统时钟与复位功能

1. 系统时钟输入

PCM1604和PCM1605需要系统时钟来驱动数字插值滤波器和多级Δ - Σ调制器。系统时钟输入频率为128、192、256、384、512或768fS，不同采样频率对应不同的系统时钟频率。为获得最佳性能，应使用低相位抖动和噪声的时钟源，如Burr - Brown的PLL1700多时钟发生器。

2. 系统时钟输出

SCKO输出为系统时钟输入的缓冲版本，可工作在全速率（fSCKI）或半速率（fSCKI / 2），其输出频率可通过控制寄存器9的CLKD位编程设置，输出引脚可通过CLKE位启用或禁用。

3. 复位功能

• 上电复位：系统时钟输入在VDD = 2.0V之前至少有一个时钟周期，VDD > 2.0V时，上电复位功能启用，初始化序列需要1024个系统时钟。
• 外部复位：通过RST输入（引脚37）可实现外部复位，将RST引脚置为逻辑‘0’至少20ns，再置为逻辑‘1’，开始1024个系统时钟周期的初始化序列。

音频接口与控制

1. 音频串行接口

音频串行接口由LRCK、BCK、DATA1、DATA2和DATA3组成，BCK为串行音频位时钟，用于将数据时钟输入到串行移位寄存器；LRCK为串行音频左右字时钟，用于将串行数据锁存到内部寄存器。LRCK和BCK必须与系统时钟同步，理想情况下应从系统时钟输入或输出派生。

2. 音频数据格式

支持标准、I2S和左对齐等行业标准音频数据格式，通过控制寄存器9的FMT[2:0]位选择，默认数据格式为24位标准格式，所有格式均要求二进制补码、MSB - First音频数据。

3. 串行控制接口

串行控制接口是一个4线同步串行端口，异步于串行音频接口，用于对片上模式寄存器进行编程和读取。通过MDI输入数据，MDO输出数据，MC为串行位时钟，ML为控制端口锁存时钟。

4. 寄存器操作

• 寄存器写操作：使用16位数据字，通过设置Read/Write（R/W）位为‘0’表示写操作，IDX[6:0]设置寄存器索引，D[7:0]包含要写入寄存器的数据。
• 单寄存器读操作：将R/W位设置为‘1’，通过Control Register 11的REG[6:0]位设置要读取的寄存器索引。
• 自动增量读操作：通过设置Control Register 11的INC位为‘1’启用，可顺序读取多个寄存器。

应用领域

PCM1604和PCM1605适用于多种音频处理场景，如集成A/V接收器、DVD电影和音频播放器、HDTV接收器、汽车音频系统、高端PC的DVD附加卡、数字音频工作站以及其他多通道音频系统等。

在实际设计中，电子工程师需要根据具体应用需求，合理选择系统时钟源、配置寄存器参数，并注意引脚的连接和信号的时序要求，以充分发挥PCM1604和PCM1605的性能优势。你在使用这类音频DAC时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。