探索PCM1730：24位音频数模转换器的卓越性能与应用

在音频处理领域，数模转换器（DAC）的性能直接影响着音频的质量。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的PCM1730，一款24位、192kHz采样的高级分段音频立体声数模转换器。

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一、PCM1730的特性亮点

高分辨率与出色模拟性能

PCM1730具备24位分辨率，在模拟性能方面表现卓越。当 (V_{CC}=5V) 时，其动态范围典型值可达117dB，信噪比（SNR）同样为117dB，总谐波失真加噪声（THD+N）低至0.0004%。满量程输出（后置放大器处）为2.2 - Vrms，差分电流输出为 +2.48mA。这些数据表明，PCM1730能够提供非常纯净、高质量的音频信号。

先进的数字滤波器

采用8倍过采样数字滤波器，具有 -82dB 的阻带衰减和 ±0.002dB 的通带波纹。这意味着它能够有效地过滤掉不需要的高频噪声，同时保证音频信号在通带内的稳定性和准确性。

灵活的采样与时钟设置

支持10kHz到200kHz的采样频率，系统时钟可选择128、192、256、384、512或768 fs，并且具备自动检测功能。这种灵活性使得PCM1730能够适应不同的音频系统需求。

丰富的数据格式与功能

它可以接受16、20和24位的音频数据，支持标准、I2S和左对齐等数据格式。此外，还具备数字去加重、软静音功能，以及每个输出的零标志。

双电源供电与小封装设计

采用双电源供电，模拟部分为5V，数字部分为3.3V，同时数字输入具有5V容限。其采用28引脚的SSOP小封装，适合在空间有限的应用中使用。

二、PCM1730的应用领域

PCM1730的高性能使其在多个音频应用领域得到广泛应用，包括A/V接收器、DVD电影播放器、SACD播放器、HDTV接收器、汽车音频系统以及数字多轨录音机等。只要是对24位音频有需求的应用场景，PCM1730都能发挥其优势。

三、功能详细解析

系统时钟与复位功能

PCM1730需要一个系统时钟来驱动数字插值滤波器和高级分段DAC调制器。系统时钟通过SCKI输入（引脚7），并且具备系统时钟检测电路，能够自动识别128 fS到768 fS的时钟频率。在电源开启时，有上电复位功能，同时也支持外部复位（RST引脚）。上电复位需要在 (V_{DD}>2V) 且系统时钟激活后，经过1024个系统时钟完成初始化；外部复位则需要将RST引脚置为逻辑0至少20ns，然后置为逻辑1开始1024个系统时钟的初始化序列。

音频数据接口

音频串行接口

由LRCK（引脚4）、BCK（引脚6）和DATA（引脚5）组成的3线同步串行端口。BCK作为串行音频位时钟，在其上升沿将串行数据时钟输入到音频接口的串行移位寄存器；LRCK作为左右声道字时钟，用于将串行数据锁存到内部寄存器。理想情况下，LRCK和BCK应从系统时钟输入或输出派生而来，且LRCK的频率为采样频率fS。

音频数据格式与定时

支持标准右对齐、I2S和左对齐等行业标准音频数据格式，通过FMT2、FMT1和FMT0引脚进行选择。所有格式都要求二进制补码、MSB优先的音频数据。

零检测与软静音

当检测到左声道或右声道的音频输入数据连续1024 fS为零时，ZEROL或ZEROR引脚会置为高电平。软静音功能通过MUTE引脚控制，当MUTE置为HIGH时，模拟输出以 -0.5dB的步长逐步变为双极零电平，实现无噗声静音。

去加重功能

支持32kHz、44.1kHz和48kHz采样频率的去加重滤波器性能，通过DEMP1和DEMP0引脚选择采样频率。

四、模拟输出与电路设计

模拟输出电平与I/V转换器

DAC电流输出引脚（IOUTL+、IOUTL–、IOUTR+、IOUTR–）在0dB（满量程）时的信号电平为 ±2.48 mAp - p。I/V转换器的电压输出由 (V{OUT }= pm 2.48 mAp - p × R{f}) 计算得出，其中 (R{f}) 为I/V转换电路中的反馈电阻。I/V转换电路的公共电平必须与DAC IOUT的公共电平相同，通常由 (V{COM2}) 参考电压提供，典型值为2.48V dc。

运放选择

推荐使用OPA627BP/BM或NE5534类型的运放进行I/V转换，以获得指定的音频性能。运放的动态性能（如增益带宽、建立时间和压摆率）会影响I/V部分的音频动态性能，同时要考虑运放的输入噪声规格以实现120dB的信噪比。

平衡放大器的模拟增益

I/V转换器后面跟着平衡放大器级，用于对每个声道的差分信号进行求和，产生单端电压输出。平衡放大器还提供二阶低通滤波器功能，限制音频输出信号的带宽。截止频率为45kHz，增益为1，每个声道的输出电压为6.2Vp - p（2.2Vrms）。

参考电流电阻

在模拟输出应用电路中，从IREF（引脚21）到模拟地连接一个16kΩ ±1%的电阻，用于设置内部参考电路的电流，以匹配规格表中指定的增益误差。

五、应用电路考虑

PCB布局指南

建议使用接地平面，并通过分割或切割电路板来隔离模拟和数字部分。PCM1730的数字I/O引脚应朝向接地平面的分割处，以便与数字音频接口和控制信号进行短而直接的连接。同时，数字和模拟部分应使用独立的电源，以防止数字电源的开关噪声影响模拟电源和D/A转换器的动态性能。在使用公共5V电源时，应在模拟和数字5V电源连接之间放置电感（RF扼流圈、铁氧体磁珠）。

旁路和去耦电容要求

使用各种尺寸的去耦电容，无需特殊公差。所有电容应尽可能靠近PCM1730的相应引脚，以减少周围电路的噪声拾取。对于较大值的电容，推荐使用专为高保真音频应用设计的铝电解电容；对于较小值的电容，可使用金属膜或单片陶瓷电容。

I/V部分设计

I/V转换电路的运放IC和反馈电阻应实现PCM1730的出色性能。为了获得0.0004% THD+N和117dB信噪比的音频性能，应考虑运放IC的THD+N和输入噪声性能，并且PCM1730的IOUT–引脚和I/V放大器的反相输入应短距离连接。

后置低通滤波器设计

由于高性能数字滤波器和高级分段DAC架构的结合，PCM1730的带外噪声水平和衰减采样频谱水平远低于典型的delta - sigma型DAC。建议使用二阶或三阶后置低通滤波器，其截止频率取决于应用的采样率，如CDDA的 (f{S}=44.1) kHz、DVD - M的 (f{S}=96) kHz、DVD - A的 (f_{S}=192) kHz等。

六、总结

PCM1730以其高分辨率、出色的模拟性能、灵活的功能和小封装设计，成为音频处理领域的一款优秀数模转换器。在实际应用中，通过合理的电路设计和布局，可以充分发挥其性能优势，为用户带来高质量的音频体验。各位电子工程师在设计音频系统时，不妨考虑PCM1730，相信它会给你的项目带来意想不到的效果。你在使用类似的数模转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。