PCM1704：24位96kHz高性能数模转换器的深度解析

在音频设备和波形合成等应用中，数模转换器（DAC）的性能至关重要。PCM1704作为一款24位、96kHz的高性能DAC，以其卓越的动态性能和低失真特性，成为高端消费和专业音频应用的理想选择。下面，我们就来详细了解一下PCM1704的特点、工作原理、关键参数以及应用注意事项。

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一、PCM1704的主要特性

1. 采样频率与过采样

PCM1704的采样频率范围为16kHz至96kHz，在96kHz时支持8倍过采样。这种过采样技术有助于提高音频信号的质量，减少噪声和失真。

2. 输入音频数据

支持20位和24位的输入音频数据字，采用二进制补码格式，最高有效位（MSB）优先。

3. 高性能指标

• 动态范围：K级典型值为112dB。
• 信噪比（SNR）：典型值为120dB。
• 总谐波失真加噪声（THD+N）：K级典型值为0.0008%。

  4. 快速电流输出

  能够提供±1.2mA/200ns的快速电流输出，确保信号的快速响应。

  5. 无毛刺输出

  采用BiCMOS符号幅度架构，消除了双极性零点附近的毛刺和其他非线性问题。

  6. 引脚可编程数据反转

  通过引脚可以对输入数据的极性进行选择，增加了使用的灵活性。

  7. 电源要求

  仅需±5V的电源供电，采用20引脚的SO封装，体积小巧。

二、工作原理：符号幅度架构

传统的数字音频系统通常使用激光微调的电流源DAC来实现足够的精度，但在双极性零点转换时可能会出现低电平非线性问题。而PCM1704采用了创新的符号幅度架构，结合了传统DAC的优点（如出色的满量程性能、高信噪比和易用性）和卓越的低电平性能。

该架构通过两个互补的DAC组合产生极其线性的输出。两个DAC共享一个公共参考和一个用于位电流源的R - 2R梯形网络，R - 2R梯形网络采用双平衡电流段，确保在所有条件下都能实现理想的跟踪。通过交错每个DAC的各个位并对电阻进行精密激光微调，实现了两个DAC之间的高度精确匹配。这种架构避免了任何毛刺或大的线性误差，并提供绝对电流输出，使得PCM1704在关键的双极性零点附近能够实现真正的24位分辨率。

三、关键规格讨论

1. 总谐波失真加噪声（THD+N）

这是PCM1704的关键规格之一。数字数据字以标准DVD音频采样频率96kHz的8倍（即768kHz）读入PCM1704，以产生1100Hz的正弦波输出。DAC的输出经过模拟信号调理电路后输入到失真分析仪进行测试。在音频带宽内，PCM1704的THD+N对于所有频率基本保持平坦。

2. 动态范围

数据转换器中的动态范围定义为在有效输出信号电平为 - 60dBFS时的THD+N测量值（符合EIAJ方法并应用A加权）。PCM1704的符号幅度架构在双极性零点附近具有理想的性能，提供了比其他先前可用的D/A转换器更实用的动态范围。

3. 空闲通道信噪比（SNR）

这是数字音频转换器的另一个重要规格，是指双极性零点时DAC输出的噪声与D/A转换器满量程范围的比值。在测量时，数字输入持续输入双极性零点的代码，同时对DAC的输出进行20Hz至20kHz的带宽限制并应用A加权。PCM1704的理想通道SNR通常大于120dB，非常适合低噪声应用。

4. 偏移增益和温度漂移

虽然PCM1704主要应用于高性能数字音频系统，但也给出了一些传统的直流参数规格，如增益误差、双极性零偏移、温度增益和偏移漂移等。这些规格在测试和测量系统中非常重要。

四、音频数据接口

1. 基本操作

PCM1704的音频接口接受TTL兼容的输入电平，数据格式为二进制补码，MSB在串行输入位流中首先传输。音频数据通过DATA引脚输入，位时钟BCLK用于将数据移入PCM1704，所有DAC串行输入数据位在BCLK的上升沿锁存到串行输入寄存器中。串行到并行的数据传输在WCLK的下降沿发生，DAC输出的变化在WCLK下降沿后的第二个BCLK上升沿发生。

2. 最大位时钟（BCLK）速率

最大BCLK速率为25MHz，这是由PCM1704的8倍过采样得出的。在96kHz采样率、8倍过采样输入和32位帧长度的情况下，计算得到的BCLK速率为24.576MHz。

3. “停止时钟”操作

PCM1704通常在连续的BCLK输入下工作。如果在输入数据字之间停止BCLK，最后移入的24位数据不会实际从串行寄存器传输到并行DAC寄存器，直到WCLK变为低电平。WCLK必须保持低电平，直到下一个数据字的第一个BCLK周期之后，以确保DAC正常工作。同时，必须遵守DATA和WCLK的指定建立和保持时间。

4. 数据格式控制

• 输入字长：通过20BIT引脚选择输入数据长度，默认情况下为24位数据。
• 输入数据反转：通过INVERT引脚选择输入数据的相位，默认情况下为正常（非反转）数据。

五、应用信息

1. 电源供应

PCM1704仅需±5V电源供电。正电源（ (+V{DD}) 和 (+V{CC}) ）应在一点连接并连接到单个+5V模拟电源，负电源（ (-V{DD}) 和 (-V{CC}) ）同样应在一点连接并连接到单个 - 5V模拟电源。使用单独的模拟和数字电源并没有优势，更重要的是确保驱动这些引脚的模拟电源尽可能无噪声和纹波，以减少电源噪声对输出的耦合。每个电源引脚应使用电源去耦电容，以最大限度地提高电源抑制能力。所有接地引脚（AGND和DGND）应尽可能靠近PCM1704连接到模拟接地平面。

2. 旁路和去耦电容要求

可以使用各种尺寸的去耦电容，无需特殊公差。建议使用铝电解电容用于较大值，金属膜或单片陶瓷电容用于较小值。所有电容应尽可能靠近PCM1704的相应引脚，以减少周围电路的噪声拾取。

3. 典型应用

在立体声音频应用中，音频数据输入到数字滤波器，经过8倍过采样和数字滤波后输出到PCM1704 DAC。对于单通道应用，PCM1704与数字滤波器、I/V转换器和DAC后置滤波器连接。选择合适的运算放大器对于I/V转换器至关重要，推荐使用OPA627。DAC后置滤波器建议使用二阶低通有源滤波器，采用多反馈（MFB）电路技术，OPA2134是该电路中运算放大器的理想选择，用于重建和限制DAC输出信号的带宽。

六、总结

PCM1704以其卓越的性能和灵活的设计，为高端音频和波形合成应用提供了可靠的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择电源、去耦电容和运算放大器等外围元件，以充分发挥PCM1704的优势。你在使用PCM1704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。