PCM1716：24位、96kHz采样CMOS Delta - Sigma立体声音频数模转换器的深度解析

在音频数模转换领域，PCM1716是一款备受关注的产品。它专为中高端数字音频应用而设计，能够实现96kHz采样率和24位音频数据处理。下面我们就来详细了解一下这款转换器。

文件下载：PCM1716E/2K.pdf

一、产品特性

1. 采样频率与输入数据

PCM1716的采样频率范围为16kHz - 96kHz，输入音频数据字支持16位、20位和24位。这种灵活性使得它能够适应不同的音频应用场景。

2. 高性能指标

• THD + N：低至 - 96dB，这意味着它能够有效降低总谐波失真和噪声，提供纯净的音频输出。
• 动态范围：达到106dB，能够清晰地呈现音频信号的强弱变化。
• SNR：同样为106dB，保证了高信噪比，减少背景噪声的干扰。
• 模拟输出范围：为 (0.62 × V_{cc}) (Vp - p)，可以满足不同的音频输出需求。

3. 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，并且支持慢滚降特性，能够有效过滤噪声，提升音频质量。

4. 多功能特性

具备数字去加重、左右声道独立数字衰减、软静音、零检测静音、零标志、芯片选择和可逆输出相位等功能，为音频处理提供了更多的灵活性。

5. 电源与封装

采用 + 5V单电源供电，方便使用。同时，它采用小型28引脚SSOP封装，节省电路板空间。

二、技术规格

1. 分辨率与数据格式

分辨率为24位，数据格式支持标准/I²S，数据位长度可选择16/20/24位，采用MSB优先、2的补码形式，采样频率范围为256/384/512/768 (f_{S}) ，最高可达96kHz。

2. 数字输入/输出逻辑电平

输入逻辑电平 (V{IH}) 为2.0V， (V{IL}) 为4.5V；输出逻辑电平（CLKO） (V{OH}) 在 (I{OH}) = 2mA时为特定值， (V{OL}) 在 (I{OL}) = 4mA时为0.8V或0.5V。

3. 动态性能

• 24位数据：在不同采样频率下，THD + N、动态范围、信噪比和声道分离度等指标表现出色。例如，在 (f_{S}) = 44.1kHz时，THD + N可达 - 97dB，动态范围为106dB。
• 16位数据：各项动态性能指标也能满足一定的音频需求。

4. 直流精度

增益误差和增益失配在一定范围内，双极性零误差在特定条件下有明确的指标要求。

5. 模拟输出

满量程输出电压为 (0.62 V{cc}) （Vp - p），中心电压为 (0.5 V{cc}) 。

6. 数字滤波器性能

不同的滚降特性（锐滚降和慢滚降）具有不同的通带、阻带和波纹指标，并且有相应的延迟时间。

7. 电源要求

电源电压范围为4.5 - 5.5V，不同采样频率下的电源电流和功耗有所不同。

8. 温度范围

工作温度范围为 - 25°C至 + 85°C，存储温度范围为 - 55°C至 + 100°C。

三、引脚配置与功能

1. 引脚分配

PCM1716共有28个引脚，包括时钟输入、数据输入、电源、接地、模拟输出等引脚。例如，LRCIN为左右时钟输入，DIN为串行音频数据输入，BCKIN为位时钟输入等。

2. 特殊功能引脚

• CLKO：振荡器的缓冲输出，相当于系统时钟。
• ZERO：零数据标志，当输入数据连续65536个BCK周期为零时，该引脚有相应的输出。
• RST：复位引脚，低电平时使DF和调制器复位。
• CS/IWO：芯片选择/输入格式选择引脚，低电平时模式控制有效。
• MODE：模式控制选择引脚，高电平为软件模式，低电平为硬件模式。

四、系统时钟与数据接口

1. 系统时钟

系统时钟频率必须为256 (f{S}) 、384 (f{S}) 、512 (f{S}) 或768 (f{S}) ，其中 (f_{S}) 为音频采样频率。系统时钟可以由晶体振荡器或外部时钟输入提供，并且系统时钟检测电路能够自动检测时钟是否在规定范围内。同时，系统时钟应与LRCIN时钟同步，若不同步，PCM1716可内部补偿相位差。

2. 数据接口格式

PCM1716可以接受标准、I²S和左对齐数据格式，通过LRCIN、DIN和BCKIN引脚进行数字音频数据的接口。

五、工作模式

1. 软件模式

通过ML、MC、MD三个引脚的串行控制信号来控制各种功能，如输入音频数据格式选择、输入数据位选择、去加重控制等。

2. 硬件模式

通过静态控制信号在特定引脚（如 (I^{2}S) 、DM1、DM0、IWO）上进行功能选择，可选择的功能包括去加重控制、软静音和输入数据格式。

六、理论操作与应用考虑

1. 理论操作

PCM1716的delta - sigma部分基于8级幅度量化器和4阶噪声整形器，采用“增强多级Delta - Sigma”架构，具有稳定性和低时钟抖动敏感性的优势，能够实现高品质的音频动态性能和音质。

2. 应用考虑

• 延迟时间：延迟时间由FIR滤波器阶数和采样率决定，计算公式为 (T{D}=30 × 1 / f{S}) 。对于大多数光盘或磁带源的音频应用，延迟时间影响不大，但对于专业广播音频等应用，总延迟时间应小于2ms。
• 输出滤波：为了获得准确的动态测试结果，建议使用20kHz低通滤波器。如果PCM1716驱动宽带放大器，应使用外部低通滤波器。
• 电源旁路：电源应尽可能靠近设备进行旁路，以保证电源的稳定性。
• 电源连接：为避免闩锁现象，建议数字和模拟电源采用公共连接。若使用独立电源，在电源上升时间内两者的差值应小于0.1V。

七、总结

PCM1716以其高性能、多功能和灵活的工作模式，成为中高端数字音频应用的理想选择。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理配置系统时钟、数据接口和工作模式，同时注意延迟时间、输出滤波和电源等方面的问题，以充分发挥PCM1716的优势，实现高品质的音频转换。你在使用PCM1716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。