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，我们就来深入了解一款来自德州仪器（Texas Instruments）的24位、192 - kHz采样的高级分段音频立体声数模转换器——PCM1730。

文件下载：PCM1730E/2K.pdf

一、PCM1730概览

PCM1730是一款采用CMOS技术的单片集成电路，集成了立体声数模转换器和支持电路，封装为小巧的28引脚SSOP。它利用德州仪器先进的分段DAC架构，实现了出色的动态性能，并提高了对时钟抖动的容忍度。

1. 主要特性

• 高分辨率：拥有24位分辨率，能够提供细腻的音频表现。
• 优异的模拟性能：在(V_{CC}=5V)条件下，动态范围典型值达117dB，信噪比（SNR）典型值为117dB，总谐波失真加噪声（THD + N）典型值仅0.0004%，满量程输出（后置放大器处）为2.2 - Vrms。
• 灵活的输出：提供差分电流输出，为±2.48mA，方便用户外部优化模拟性能。
• 数字滤波：具备8倍过采样数字滤波器，阻带衰减为 - 82dB，通带纹波为±0.002dB。
• 宽采样频率范围：支持10kHz至200kHz的采样频率，系统时钟可自动检测128、192、256、384、512或768 fs。
• 多数据格式支持：可接受16、20和24位音频数据，支持标准、I2S和左对齐等数据格式。
• 其他特性：具备数字去加重、软静音功能，每个输出都有零标志，采用双电源供电（模拟5V，数字3.3V），数字输入5V容忍。

2. 应用领域

PCM1730适用于多种音频设备，如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、数字多轨录音机等，满足了对24位音频有需求的各类应用。

二、引脚功能与电气特性

1. 引脚功能

PCM1730的引脚涵盖了模拟地、数字地、时钟输入、数据输入、输出控制等多种功能。例如，BCK为位时钟输入，DATA为串行音频数据输入，IOUTL - 和IOUTL + 为左声道模拟电流输出等。详细的引脚功能可参考以下表格：	TERMINAL	PIN	I/O	DESCRIPTION
AGND1	18	-	Analog ground
AGND2	27	-	Analog ground
BCK	6	I	Bit clock input †
DATA	5	I	Serial audio data input †
……	……	……	……

2. 电气特性

在(T{A}=25^{circ}C)，(V{CC}=5V)，(V{DD}=3.3V)，(f{S}=44.1kHz)，系统时钟 = 256 fs和24位数据的条件下，PCM1730展现出了良好的电气性能。例如，THD + N在不同采样频率下有不同表现，44.1kHz时典型值为0.0004%，96kHz时为0.0006%，192kHz时为0.0012%；动态范围和信噪比在不同采样频率下也能保持较高水平。

三、功能描述

1. 系统时钟和复位功能

PCM1730需要系统时钟来运行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）。它具备系统时钟检测电路，能自动感应系统时钟是否在128 fS至768 fS范围内。为获得最佳性能，建议使用低相位抖动和噪声的时钟源，如德州仪器的PLL1700多时钟发生器。同时，它还拥有上电复位和外部复位功能，上电复位需系统时钟在(V_{DD}=2V)之前至少活跃一个时钟周期，初始化序列需要1024个系统时钟；外部复位可通过RST输入（引脚1）实现，将RST引脚置为逻辑0至少20ns，再置为逻辑1启动初始化序列。

2. 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用于将串行数据时钟输入到音频接口的串行移位寄存器，数据在BCK的上升沿被时钟输入；LRCK用于将串行数据锁存到内部寄存器，应与系统时钟同步，若不同步，PCM1730可内部补偿相位差。
• 音频数据格式和时序：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引脚选择。所有格式都要求二进制补码、MSB优先的音频数据。

3. 其他功能

• 零检测：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引脚置为高。
• 软静音：当MUTE引脚置为HIGH时，两个模拟输出以 - 0.5 - dB的步长逐步变为双极零电平，实现无噗声静音。
• 去加重：支持32kHz、44.1kHz、48kHz采样频率的去加重滤波性能，通过DEMP1和DEMP0引脚选择。

四、模拟输出与电路设计

1. 模拟输出特性

DAC电流输出引脚（IOUTL + 、IOUTL - 、IOUTR + 、IOUTR - ）在0dB（满量程）时信号电平为±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，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。

2. 电路设计要点

• I/V转换器运放：推荐使用OPA627BP/BM或NE5534类型的运放，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获得120dB的信噪比。
• 平衡放大器：I/V转换器后面是平衡放大器级，用于对每个声道的差分信号求和，形成单端电压输出，并提供二阶低通滤波功能，截止频率为45kHz，增益为1，每个声道的输出电压为6.2Vp - p或2.2Vrms。
• 参考电流电阻：从IREF（引脚21）到模拟地连接的电阻(R_{1})必须为16kΩ ± 1%，以匹配规格表中指定的增益误差。

五、应用电路考虑

1. PCB布局指南

建议使用接地平面，将模拟和数字部分通过电路板上的分割或切口相互隔离。PCM1730的数字I/O引脚应朝向接地平面分割/切口，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单独的电源，若使用公共5V电源，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），以避免数字开关噪声耦合到模拟电路中。

2. 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。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，较小值的电容使用金属膜或单片陶瓷电容。

3. 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的优异性能。为获得0.0004% THD + N、117dB信噪比的音频性能，需考虑运放IC的THD + N和输入噪声性能，PCM1730的IOUT - 引脚和I/V放大器的反相输入应短距离连接。

4. 后置LPF设计

由于高性能数字滤波器和高级分段DAC架构的结合，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LPF作为PCM1730的后置滤波器，其截止频率取决于应用的采样率。

六、总结

PCM1730凭借其高分辨率、优异的模拟性能、灵活的功能和广泛的应用领域，成为音频处理领域一款极具竞争力的数模转换器。在设计音频电路时，工程师们需要充分考虑其引脚功能、电气特性和应用电路要点，以实现最佳的音频性能。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。