德州仪器PCM1870：低功耗立体声音频ADC的卓越之选

在当今的电子设备中，音频处理是一个至关重要的环节。德州仪器（Texas Instruments）的PCM1870低功耗立体声音频ADC，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为了便携式数字音频应用的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

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一、PCM1870的特性亮点

1. 模拟前端设计

PCM1870拥有强大的模拟前端，具备立体声单端输入（带MUX）、单声道差分输入、立体声可编程增益放大器、麦克风升压放大器和偏置等功能。这种多样化的输入方式，能够满足不同音频源的需求，为音频采集提供了更多的灵活性。

2. 出色的模拟性能

其动态范围可达90 dB，能够清晰地捕捉音频信号的细节，为用户带来高品质的音频体验。

3. 宽电源电压范围

数字I/O部分、数字核心部分的电源电压范围为1.71 V至3.6 V，模拟部分为2.4 V至3.6 V。这种宽电压范围的设计，使得PCM1870能够适应不同的电源环境，增强了其在各种设备中的适用性。

4. 低功耗设计

在不同的工作模式下，PCM1870都展现出了出色的低功耗特性。例如，在1.8/2.4 V、48 kHz、立体声录制模式下，功耗仅为13 mW；在1.8/2.4 V、8 kHz、单声道录制模式下，功耗为5.3 mW；而在全功率关闭模式下，功耗低至3.3 μW。这对于便携式设备来说至关重要，能够有效延长设备的电池续航时间。

5. 灵活的采样频率

采样频率范围为5 kHz至50 kHz，能够满足不同音频应用的需求。无论是低采样率的语音录制，还是高采样率的音乐播放，PCM1870都能轻松应对。

6. 自动电平控制

在录制过程中，自动电平控制（ALC）功能能够自动调整音频信号的电平，避免信号饱和，确保录制的音频质量稳定。

7. 单时钟输入操作

PCM1870无需PLL，通过单时钟输入即可实现系统时钟的同步。系统时钟支持多种常见的音频时钟频率，如256 fS/384 fS、12/24、13/26、13.5/27、19.2/38.4、19.68/39.36 MHz等，方便与各种音频系统进行集成。

8. 可编程功能

通过2（I2C）或3（SPI）线串行控制端口，用户可以对PCM1870进行灵活的编程控制。例如，数字软静音、各模块的电源上下电控制、模拟输入的增益设置、麦克风输入的升压设置、ALC参数设置、三频段音调控制和3D音效设置、高通滤波器和两级陷波滤波器设置等。这些可编程功能使得PCM1870能够根据不同的应用场景进行定制化配置，满足用户的多样化需求。

9. 爆音降噪电路

PCM1870内置了爆音降噪电路，能够有效减少音频信号中的爆音和杂音，提高音频的纯净度。

10. 小巧的封装形式

提供24-QFN（4 mm × 5 mm）和24-DSBGA（2.49 mm × 3.49 mm）两种封装形式，节省了电路板的空间，适合用于小型便携式设备。

11. 宽工作温度范围

工作温度范围为 -40°C至85°C，能够在各种恶劣的环境条件下稳定工作，保证了产品的可靠性。

二、PCM1870的应用领域

PCM1870广泛应用于各种便携式音频设备和消费电子设备中，如便携式音频播放器、手机、摄像机、数码静态相机、PMP/DMB、语音记录仪等。其低功耗、高性能的特点，使得这些设备能够在保证音频质量的同时，延长电池续航时间，提升用户体验。

三、电气特性详解

1. 音频数据

• 分辨率：16位，能够提供较高的音频精度。
• 音频数据接口格式：支持I2S、左对齐、右对齐和DSP格式，方便与音频DSP和编码器芯片进行接口。
• 音频数据位长度：16位，确保音频数据的完整性。
• 音频数据格式：采用MSB-first、2s-complement格式，保证数据的准确传输。
• 采样频率：范围为5 kHz至50 kHz，可根据实际需求进行调整。

2. 数字输入/输出

• 系统时钟：根据不同的电源电压，系统时钟频率有所不同。当VDD < 2 V时，为27 - 40 MHz；当VDD > 2 V时，频率范围更广。
• 逻辑家族：与CMOS兼容，方便与其他数字电路进行集成。
• 输入逻辑电平：VIH为0.7 VIO，VIL为0.3 VIO。
• 输入逻辑电流：IIN = 3.3 V时，IIH为10 - 10 μA；IIN = 0 V时，IIL为相应的值。
• 输出逻辑电平：VOH为0.75 VIO，VOL为0.25 VIO。

3. 模拟输入到数字输出

• 动态性能：全量程输入电压为2.828 Vp-p（0 dB）或1 Vrms，信噪比（SNR）可达90 dB（EIAJ，A加权），声道分离度为87 dB，总谐波失真 + 噪声（THD+N）在 -1 dB时为0.009% - 0.017%。
• 模拟输入：中心电压为0.5 VCC，输入阻抗根据不同的输入引脚和增益设置有所不同。

4. 模拟输出

• 中心电压：0.5 VCC。
• 负载电阻：10 kΩ。
• 负载电容：20 pF。

5. 麦克风偏置

• 偏置电压：0.75 VCC。
• 偏置源电流：2 mA（典型值）。
• 输出噪声：6.5 μV。

6. 滤波器特性

• 抽取滤波器：通带为0.408 fS，阻带为0.591 fS，通带纹波为±0.02 dB，阻带衰减在f < 3.268 fS时为 -60 dB，群延迟为17/fS。
• 高通滤波器：可设置不同的截止频率，如4 Hz、120 Hz、240 Hz等，在不同的截止频率下具有不同的频率响应特性。

7. 电源和电源电流

• 电源电压范围：VIO、VDD为1.71 - 3.6 V，VCC为2.4 - 3.6 V。
• 电源电流：在不同的工作状态下，电源电流有所不同。例如，BPZ输入、所有模块激活且无负载时，电流为8 - 12 mA；所有输入保持静态时，电流为1 - 10 μA。
• 功耗：BPZ输入时为26.4 - 39.6 mW，所有输入保持静态时为3.3 - 33 μW。

8. 温度条件

• 工作温度： -40°C至85°C。
• 热阻：35 °C/W。

四、引脚分配与功能

PCM1870的引脚分配明确，每个引脚都有其特定的功能。例如，AGND为模拟地，AIN1L和AIN1R为左、右声道的模拟输入1，AOL和AOR为左、右声道的麦克风放大器输出，BCK为串行位时钟，DOUT为串行音频数据输出等。了解这些引脚的功能，对于正确使用PCM1870至关重要。

五、典型性能曲线

文档中提供了PCM1870在不同条件下的典型性能曲线，如高通滤波器通带特性曲线、ADC在高增益下的SNR曲线、THD+N/SNR与电源的关系曲线等。这些曲线能够帮助工程师更好地了解PCM1870的性能特点，为电路设计提供参考。

六、工作原理与操作说明

1. 系统时钟输入

PCM1870可以接受各种频率的输入时钟，无需PLL。时钟用于数字滤波器、自动电平控制和Delta - Sigma调制器的时钟同步。系统时钟的采样率和频率由寄存器86（MSR[2:0]）和寄存器85（NPR[5:0]）设置。

2. 上电复位和系统复位

上电复位电路在VDD = 1.2 V时输出复位信号，将内部电路清除为默认状态，并清除所有模拟和数字输出信号。系统复位通过设置寄存器85（SRST）来实现，所有寄存器将自动清除，所有电路复位到默认状态。需要注意的是，启用SRST时，PCM1870的模拟输出会产生可听的爆音。为了减少爆音，在电源上电或下电时，需要按照推荐的寄存器设置序列进行操作。

3. 电源供应

PCM1870的电源供应较为灵活，VCC可连接2.4 V至3.6 V，VDD和VIO可连接1.71至3.6 V，不同的引脚可以应用不同的电压。

4. 音频串行接口

PCM1870的音频串行接口由LRCK、BCK和DOUT组成。采样率和左右声道信息通过LRCK传输，DOUT传输ADC抽取滤波器的串行数据，BCK用于在其高低电平转换时传输DOUT上的串行音频数据。BCK和LRCK应与音频系统时钟同步，推荐从系统时钟派生。PCM1870支持主模式和从模式接口格式，可通过寄存器84（MSTR）选择。同时，它支持I2S、右对齐、左对齐和DSP格式，数据格式通过寄存器70（RFM[1:0]，PFM[1:0]）选择。

5. 三线接口（SPI）

当MODE引脚为低电平时，PCM1870使用三线接口（SPI）进行串行控制。所有写操作使用16位数据字，最高位必须为0，IDX[6:0]设置写操作的寄存器地址，D[7:0]包含要写入寄存器的数据。

七、总结

PCM1870作为一款低功耗立体声音频ADC，具有丰富的功能和出色的性能。它在模拟前端设计、音频性能、功耗控制、可编程性等方面都表现出色，适用于各种便携式数字音频应用。电子工程师在设计音频系统时，可以充分利用PCM1870的这些特性，开发出高质量、低功耗的音频产品。

你在使用PCM1870的过程中遇到过哪些问题呢？或者你对它的某些特性有更深入的疑问吗？欢迎在评论区留言交流。