低成本立体声音频DAC——PCM1733的技术解析与应用指南

在音频设备的设计中，数模转换器（DAC）是实现数字音频信号到模拟音频信号转换的关键组件。PCM1733作为一款低成本立体声音频DAC，以其丰富的特性和良好的性能，在消费音频领域得到了广泛应用。接下来，我们将详细解析PCM1733的特性、技术参数、工作原理以及应用中的注意事项。

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一、PCM1733特性概览

PCM1733是一款完整的低成本立体声音频数模转换器，具备以下显著特性：

1. 集成度高：包含数字滤波器和输出放大器，为音频转换提供了一站式解决方案。
2. 动态范围出色：达到95dB，能够清晰地还原音频信号的细节。
3. 多采样频率支持：支持16kHz至96kHz的采样频率，可适应不同音频源的需求。
4. 8倍过采样数字滤波器：有效提高音频信号的质量，减少噪声和失真。
5. 灵活的系统时钟：系统时钟可选256fS或384fS，为设计提供了更多的灵活性。
6. 多种数据输入格式：支持正常和I2S两种数据输入格式，方便与不同的音频设备进行接口。
7. 小封装：采用14引脚SOIC封装，节省电路板空间。

二、技术参数详解

2.1 电气参数

在+25°C、+VCC = +5V、fS = 44.1kHz、18位输入数据、SYSCLK = 384fS的条件下，PCM1733的主要电气参数如下：	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
分辨率	-	-	18	-	Bits
输入逻辑电流	f = 991kHz	90	-	-	μA
THD + N（满量程0dB）	EIAJ，A加权	-83	-	-	dB
THD + N（-60dB）	EIAJ，A加权	-32	-	-	dB
动态范围	-	95	-	-	dB
信噪比	-	97	-	-	dB
声道分离度	-	95	-	-	dB
直流精度	-	±0.8	-	-	dB
模拟输出电压（满量程0dB）	-	10	-	-	Vp - p
中心电压	-	0.62 x VCC	VCC / 2	-	VDC
负载阻抗	-	-	-	-	kΩ
数字滤波器通带	-	-	-	0.445 ± 0.17	fS
数字滤波器阻带	-	-	-	-	fS
通带纹波	-	-	-	-	dB
阻带衰减	-	-	-	-	dB
延迟时间	-	0.555	11.125/fS	-	sec
内部模拟滤波器-3dB带宽	f = 20kHz	-	100	-	kHz
通带响应	f = 20kHz	-	-0.16	-	dB
电源电压范围	-	4.5	5	5.5	VDC
电源电流	-	13	-	18	mA
功耗	-	65	-	90	mW
工作温度范围	-	-25	-	+85	°C
存储温度范围	-	-55	-	+125	°C

2.2 绝对最大额定值

为了确保PCM1733的安全使用，以下是其绝对最大额定值：	参数	数值
电源电压	+6.5V
+VCC至+VDD差值	±0.1V
输入逻辑电压	-0.3V至(VDD + 0.3V)
功耗	290mW
工作温度范围	-25°C至+85°C
存储温度	-55°C至+125°C
引脚温度（焊接，5s）	+260°C
热阻，θJA	+90°C/W

三、引脚配置与功能

PCM1733的引脚配置如下：	引脚	名称	I/O	功能
1	LRCIN	IN	采样率时钟输入
2	DIN	IN	音频数据输入
3	BCKIN	IN	音频数据的位时钟输入
4	NC	—	无连接
5	CAP	—	模拟输出放大器的公共引脚
6	VOUT R	OUT	右声道模拟输出
7	GND	—	接地
8	VCC	—	电源
9	VOUT L	OUT	左声道模拟输出
10	NC	—	无连接
11	NC	—	无连接
12	DM	IN	去加重控制，高电平：去加重开启；低电平：去加重关闭
13	FORMAT	IN	音频数据格式选择，高电平：I2S数据格式；低电平：标准数据格式
14	SCKI	IN	系统时钟输入（256fS或384fS）

需要注意的是，引脚1、2、3、12、13、14为施密特触发器输入，引脚12、13带有内部上拉电阻。

四、工作原理

PCM1733的delta - sigma部分基于5级幅度量化器和3阶噪声整形器。该部分将过采样的输入数据转换为5级delta - sigma格式。与典型的1位（2级）delta - sigma调制器相比，5级delta - sigma调制器具有稳定性和抗时钟抖动的优势。 delta - sigma调制器和内部8倍插值滤波器的组合过采样率，在384fS系统时钟下为96fS，在256fS系统时钟下为64fS。其理论量化噪声性能如图11所示。

五、应用注意事项

5.1 系统时钟

PCM1733的系统时钟必须为256fS或384fS，其中fS为音频采样频率（LRCIN），通常为32kHz、44.1kHz或48kHz。系统时钟用于驱动数字滤波器和噪声整形器。系统时钟输入（SCKI）位于引脚14，其定时条件如图4所示。 PCM1733具有系统时钟检测电路，可自动检测256fS或384fS的频率。系统时钟应与LRCIN（引脚1）同步，但PCM1733可以补偿相位差。如果LRCIN和系统时钟之间的相位差大于±6个位时钟（BCKIN），则会自动进行同步。在同步过程中，模拟输出将被强制为双极性零状态（VCC / 2）。

5.2 输入数据格式

PCM1733可以接受正常（MSB优先，右对齐）或I2S格式的输入数据。当引脚13（FORMAT）为低电平时，选择正常数据格式；当引脚13为高电平时，选择I2S格式。

5.3 复位

PCM1733具有内部上电复位电路。当电源电压VCC > 2.2V（典型值）时，内部上电复位初始化（复位）。上电复位的初始化周期等于VCC > 2.2V后的1024个系统时钟周期。在初始化期间，DAC的输出无效，模拟输出被强制为VCC / 2。

5.4 去加重控制

引脚12（DM）用于启用PCM1733的去加重功能。去加重功能仅在44.1kHz时有效。

5.5 延迟时间

delta - sigma转换器存在有限的延迟时间。对于PCM1733，延迟时间由FIR滤波器级的阶数和所选的采样率决定，其计算公式为：TD = 11.125 × 1 / fS。 对于使用光盘或磁带源数据的应用，如CD音频、CD - 交互式、视频CD、DAT、迷你光盘等，通常不受延迟时间的影响。但对于一些专业应用，如演播室广播音频，总延迟时间小于2ms非常重要。

5.6 输出滤波

为了测试目的，所有动态测试都在PCM1733上使用20kHz低通滤波器进行。该滤波器将THD + N等测量带宽限制在20kHz。如果不使用这样的滤波器，将导致THD + N升高，SNR和动态范围读数低于规格值。低通滤波器可以去除带外噪声，虽然它不可听，但可能会影响动态规格数值。 如果用户的应用中PCM1733驱动宽带放大器，建议使用外部低通滤波器。图9展示了一个简单的3阶滤波器，对于某些应用，无源RC滤波器或2阶滤波器可能就足够了。

5.7 电源旁路

电源应尽可能靠近设备进行旁路。建议在10μF钽旁路电容上并联一个0.1μF陶瓷电容。

六、总结

PCM1733以其低成本、高性能和丰富的功能，为立体声音频应用提供了一个优秀的解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择系统时钟、输入数据格式、去加重控制等参数，并注意延迟时间、输出滤波和电源旁路等问题，以确保音频系统的稳定和高质量运行。你在使用PCM1733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。