德州仪器PCM1801：单端模拟输入16位立体声模数转换器深度解析

在电子设备的音频处理领域，模数转换器（ADC）扮演着至关重要的角色。德州仪器（TI）的PCM1801作为一款单端模拟输入16位立体声模数转换器，以其出色的性能和广泛的应用场景，成为众多工程师的选择。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

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一、产品特性

1. 高性能ADC架构

PCM1801采用双16位单片ΔΣ ADC，具有单端电压输入功能，内部集成了抗混叠滤波器。其64×过采样抽取滤波器表现卓越，通带纹波仅为±0.05 dB，阻带衰减达到 -65 dB，能有效减少信号失真和干扰。

2. 出色的模拟性能

在模拟性能方面，PCM1801的总谐波失真加噪声（THD+N）典型值为 -88 dB，信噪比（SNR）和动态范围典型值均为93 dB，能为音频信号提供高质量的转换。同时，内部的高通滤波器可进一步优化音频信号。

3. 灵活的音频接口

支持左对齐和I2S两种PCM音频接口，采样率范围为4 kHz至48 kHz，系统时钟可选择256 fS、384 fS或512 fS，满足不同音频系统的需求。

4. 低功耗与小封装

采用单5V电源供电，功耗较低。并且采用小型SO - 14封装，节省电路板空间，适合对尺寸有要求的应用。

二、应用场景

PCM1801适用于多种音频相关的消费类产品，如DVD录像机、DVD接收器、AV放大器接收器以及电子乐器等。这些应用场景对音频质量有较高要求，PCM1801的高性能能够满足其需求。

三、技术参数

1. 绝对最大额定值

• 电源电压范围为 -0.3 V至6.5 V，电源电压差和地电压差均为 ±0.1 V。
• 数字输入电压范围为 -0.3 V至 (VDD + 0.3 V) 且小于6.5 V，模拟输入电压范围为 -0.3 V至 (VCC + 0.3 V) 且小于6.5 V。
• 输入电流（除电源引脚外）为 ±10 mA，功率耗散为300 mW。
• 工作温度范围为 -25°C至85°C，存储温度范围为 -55°C至125°C。

2. 推荐工作条件

• 模拟和数字电源电压均为4.5 V至5.5 V，典型值为5 V。
• 模拟输入满量程电压为2.828 Vp - p，数字输入逻辑家族为TTL。
• 数字输入时钟频率方面，系统时钟和采样时钟有相应的范围要求。
• 数字输出负载电容为10 pF。

四、引脚配置

PCM1801的引脚配置明确，各引脚功能如下：	引脚名称	引脚编号	输入/输出	描述
AGND	12	-	模拟地
BCK	6	I	位时钟输入
BYPAS	9	I	HPF旁路控制（L：HPF启用；H：HPF禁用）
DGND	3	-	数字地
DOUT	8	O	音频数据输出
FMT	10	I	音频数据格式（L：MSB优先，左对齐；H：MSB优先，I2S）
LRCK	7	I	采样时钟输入
SCKI	5	I	系统时钟输入（256 fS、384 fS或512 fS）
VCC	11	-	模拟电源
VDD	4	-	数字电源
VIN L	1	I	左声道模拟输入
VIN R	2	I	右声道模拟输入
VREF 1	14	-	参考1去耦电容
VREF 2	13	-	参考2去耦电容

五、工作原理

1. 整体架构

PCM1801由带隙基准、两个单端转差分转换器通道、一个全差分5阶Δ - Σ调制器、一个抽取滤波器（包括数字高通滤波器）和一个串行接口电路组成。内部高精度基准配合外部电容提供转换器所需的所有参考电压，并定义了两个通道的满量程电压范围。

2. 信号处理过程

输入信号以64×过采样率进行采样，省去了采样保持电路，简化了抗混叠滤波要求。5阶Δ - Σ噪声整形器通过积分器、比较器和反馈环路对量化噪声进行整形，将其移出音频频段。抽取滤波器将调制器输出的64 - fS、1位数据流转换为1 - fS、16位数字数据，并去除量化噪声。数字高通滤波器去除直流分量，最终通过串行接口将滤波后的输出转换为时分复用串行信号。

3. 系统时钟

系统时钟必须为256 fS、384 fS或512 fS，由SCKI引脚提供。芯片内部有系统时钟检测电路，当使用384 - fS或512 - fS系统时钟时，会自动将时钟分频为256 fS用于数字滤波器和调制器的操作。

4. 上电复位

PCM1801具有内部上电复位电路，当电源电压超过4 V（典型值）时初始化。系统时钟作为复位电路的时钟信号，上电时必须尽快提供，且在 (V{DD}>4 V) 之前至少要有三个系统时钟周期。在 (V{CC} / V{DD}<4 V) 以及 (V{CC} / V{DD}>4 V) 后的1024个系统时钟周期内，芯片处于复位状态，数字输出为零。复位状态释放后18,436 (f{S}) 周期，数字输出有效。

5. 串行音频数据接口

通过BCK、LRCK和DOUT引脚与音频系统接口。支持左对齐和I2S两种数据格式，由FMT引脚控制选择。不同格式下，对BCK/LRCK的要求有所不同。

6. 同步问题

PCM1801的LRCK与系统时钟（SCKI）同步工作。如果LRCK和SCKI之间的关系在一个采样周期内变化超过6个位时钟（BCK），ADC内部操作将停止，数字输出被强制为零，直到重新同步；变化小于5个位时钟（BCK）时，不会发生重新同步，也不会出现输出控制和数据不连续的情况。

7. HPF旁路控制

通过BYPAS引脚可以控制内置的直流分量抑制功能是否旁路。低电平时为正常（直流切除）模式，高电平时为旁路（直通）模式。

六、应用设计注意事项

1. 电路板设计与布局

• 电源引脚：数字和模拟电源线路应使用0.1 - μF陶瓷电容和10 - μF钽电容就近旁路到相应的接地引脚，以最大化ADC的动态性能。建议使用一个公共电源，避免电源顺序问题导致的闩锁等意外情况。
• 接地引脚：模拟地和数字地内部不连接，应确保低阻抗，避免数字噪声反馈到模拟地。在PCM1801封装下方直接连接两者，减少潜在噪声问题。
• 输入引脚：推荐使用1.0 - μF钽电容作为交流耦合电容，建立5.3 - Hz截止频率。若需要更高的满量程输入电压，可在输入引脚添加串联电阻。
• 参考引脚：从 (V{REF} 1) 和 (V{REF} 2) 到AGND使用4.7 - μF钽电容，以确保低源阻抗，并尽可能靠近引脚放置，减少ADC参考的动态误差。
• 输出引脚：DOUT引脚具有较大的负载驱动能力，但建议在PCM1801附近设置缓冲器并最小化负载电容，以减少数模串扰，提高ADC的动态性能。
• FMT引脚：一般根据接口要求将FMT引脚连接到DGND或 (V_{DD}) 进行音频数据格式选择。若应用系统在PCM1801上电前无法确保有效系统时钟，当需要I2S格式时，应在电源复位序列完成后将FMT引脚置高，可通过连接C - R延迟电路实现。
• 系统时钟：系统时钟的质量会影响PCM1801的动态性能，必须仔细管理其占空比、抖动和阈值电压。上电时，系统时钟、位时钟（BCK）和字时钟（LRCK）应同时提供，否则可能导致功耗增加，甚至影响长期可靠性。

七、典型电路连接

文档中给出了一个典型的电路连接图，输入HPF截止频率约为5 Hz。在实际应用中，可根据具体需求对电路进行调整。

总之，PCM1801以其高性能、灵活性和易于使用的特点，为音频处理应用提供了一个优秀的解决方案。在设计过程中，工程师需要充分考虑其技术参数和应用注意事项，以确保系统的稳定运行和良好性能。你在使用PCM1801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。