高性能音频ADC：PCM182x的深度解析与应用指南

在音频技术不断发展的今天，高性能音频模数转换器（ADC）对于实现高保真音频采集至关重要。PCM182x作为一款由德州仪器（TI）推出的立体声通道、32位、192kHz音频ADC，凭借其卓越的性能和丰富的功能，在众多音频应用中得到广泛应用。本文将对PCM182x进行详细介绍，帮助电子工程师更好地了解该器件的特性、应用和设计要点。

文件下载：pcm1820.pdf

一、PCM182x概述

PCM182x是一款高性能、Burr - Brown™音频模数转换器，支持最多两个模拟通道的同步采样。它具有以下显著特性：

1. 高性能ADC
   • 支持2通道模拟麦克风输入或线路输入，为不同的音频源提供灵活的接口。
   • 拥有出色的动态范围，PCM1820在启用动态范围增强器（DRE）时可达123dB，禁用时为113dB；PCM1821动态范围为106dB。
   • 总谐波失真加噪声（THD + N）低至 - 95dB，确保了高质量的音频转换。
2. 灵活的配置与接口
   • 支持硬件引脚控制配置，可通过简单的引脚电平设置实现不同的功能和模式选择。
   • 提供线性相位或低延迟滤波器可选，能够根据不同的应用需求优化音频处理。
   • 具备灵活的音频串行数据接口，支持主或从接口模式，以及32位、2通道TDM和32位、2通道I2S格式。
3. 低功耗与高集成度
   • 支持单电源运行（3.3V），I/O电源可选择3.3V或1.8V，降低了系统的功耗和复杂度。
   • 集成了高性能音频PLL和直流滤除高通滤波器（HPF），减少了外部元件的使用，节省了电路板空间。

二、PCM182x的应用领域

PCM182x的高性能和灵活性使其适用于多种音频应用场景，包括但不限于：

1. 智能扬声器：高动态范围和低失真特性能够准确捕捉远距离声音，实现清晰、高质量的语音交互。
2. DVD录像机和播放器：保证了音频信号的高质量录制和回放，提升了用户的视听体验。
3. AV接收机：支持多通道音频输入，为家庭影院系统提供了出色的音频处理能力。
4. 视频会议系统：确保语音信号的清晰传输，减少背景噪音和失真，提高会议质量。
5. IP网络摄像头：实现了音频和视频的同步采集，为监控和远程通信提供了完整的解决方案。

三、PCM182x的技术细节剖析

1. 硬件控制

PCM182x支持简单的硬件引脚控制选项，通过MSZ、MD0、MD1和FMT0等引脚，可利用上拉或下拉电阻轻松选择特定的操作模式和音频接口，这种方式大大简化了硬件设计。

2. 音频串行接口

• TDM接口：又称DSP模式，在该模式下，FSYNC的上升沿启动数据传输，先传输插槽0的数据，随后依次传输其余插槽的数据。FSYNC和每个数据位（当TX_OFFSET等于0时，插槽0的MSB除外）在BCLK的上升沿传输。为确保音频总线正常工作，每帧的位时钟数应大于或等于有效输出通道数乘以输出通道数据的32位字长。
• I²S接口：标准的I²S协议仅适用于左右两个通道。在I²S模式下，左插槽0的MSB在FSYNC下降沿后的第二个BCLK下降沿传输，右插槽0的MSB在FSYNC上升沿后的第二个BCLK下降沿传输，后续数据位在BCLK下降沿传输。主模式下，FSYNC在BCLK上升沿传输。同样，为保证音频总线正常工作，每帧的位时钟数和FSYNC高低脉冲宽度需满足一定要求。

3. 锁相环（PLL）和时钟生成

• 从模式：设备可根据FSYNC信号频率和BCLK与FSYNC的比率，内部配置所有时钟分频器，包括PLL配置，无需主机编程。支持多种FSYNC和BCLK频率，具体可参考相关表格（表8 - 3和表8 - 4）。
• 主模式：使用MD1引脚作为系统时钟（MCLK）参考输入时钟源，通过MD0引脚选择系统时钟频率为256 × fS或512 × fS，支持44.1kHz和48kHz的fS速率。

4. 输入通道配置

PCM182x有两对模拟输入引脚（INxP和INxM）作为差分输入用于录音通道，可支持同时录制最多两个通道。输入源可以是驻极体电容模拟麦克风、微机电系统（MEMS）模拟麦克风或系统板的线路输入。为实现最佳失真性能，音频信号输入应采用交流耦合（AC - 耦合），并使用低电压系数的电容进行AC耦合。PCM1820和PCM1821的典型输入阻抗不同，分别为2.5kΩ和10kΩ。开机时，设备有快速充电方案以加快耦合电容的充电速度，默认快速充电时间适用于最大1μF的耦合电容。

5. 参考电压

音频数据转换器需要直流参考电压，PCM182x通过内部带隙电路生成低噪声参考电压，具有高电源抑制比（PSRR）性能。该参考电压需通过VREF引脚连接到模拟地（AVSS）的至少1μF电容进行外部滤波，其值设置为2.75V，支持2VRMS的差分满量程输入，所需的最小AVDD电压为3V，且VREF引脚不得连接任何外部负载。

6. 信号链处理

• 前端动态范围增强器（DRE）：仅PCM1820支持，是一个超低噪声的增益放大器，动态范围可达123dB。与低噪声、低失真的多位ΔΣ ADC相结合，能在安静和嘈杂环境中实现高保真的远场音频信号录制。ADC架构具有固有的抗混叠滤波功能，可防止采样时噪声混叠到音频频段。
• 数字高通滤波器（HPF）：为去除记录数据中的直流偏移分量和衰减不必要的低频噪声，设备支持固定的HPF，- 3dB截止频率为0.00025 × fS，适用于所有ADC通道，采用一阶无限脉冲响应（IIR）滤波器构建。
• 可配置数字抽取滤波器：在从模式下，可通过MD0引脚选择线性相位滤波器或低延迟滤波器。线性相位滤波器适用于要求通带内相位完美线性且零相位偏差的应用；低延迟滤波器适用于对低延迟和最小相位偏差（在音频频段内）要求较高的应用。

四、PCM182x的应用设计

1. 典型应用示例

以使用立体声模拟微机电系统（MEMS）麦克风进行同时录制操作为例，采用TDM音频数据从接口。设计时，为实现最佳失真性能，应使用低电压系数的输入AC - 耦合电容。

2. 设计要求

关键参数	规格（3.3V AVDD 操作）
AVDD	3.3V
AVDD 电源电流消耗	12.9mA（两通道录制，fS = 48kHz）
IOVDD	1.8V 或 3.3V

3. 详细设计步骤

1. 上电：给IOVDD和AVDD电源上电，设备进入低功耗模式。
2. 引脚配置：连接MSZ、FMT0、MD0和MD1引脚以实现所需配置；施加具有所需输出采样率和BCLK与FSYNC比率的FSYNC和BCLK信号；设备录制的数据将通过音频串行数据总线发送到主机处理器。
3. 停止录制：随时停止时钟信号即可停止数据录制。

五、电源与布局建议

1. 电源供应建议

IOVDD和AVDD电源轨的上电顺序可以任意，但在电源电压稳定在支持的工作电压范围之前，不要提供任何时钟信号。提供时钟信号（FSYNC和BCLK）时，确保所有硬件控制引脚（MSZ、MD0、MD1和FMT0）已驱动到所需操作模式的电压电平。上电时间t1和t2至少为100μs，下电时间t3和t4至少为10ms。电源斜坡速率应慢于1V/μs，下电和上电事件之间的等待时间至少为100ms。在电源排序期间，所有数字输入引脚必须保持在有效输入电平，不得切换。

2. 布局指南

合理的布局对于优化设备性能至关重要，以下是一些布局建议：

• 连接散热焊盘到地，使用过孔图案将设备下方的散热焊盘连接到接地平面，以帮助散热。
• 将电源的去耦电容靠近设备引脚放置。
• 在PCB上差分路由模拟差分音频信号，以提高抗噪能力，避免数字和模拟信号交叉，防止串扰。
• 设备内部电压基准需使用外部电容进行滤波，将滤波电容靠近VREF引脚放置以获得最佳性能。
• 将VREF外部电容的接地端直接连接到AVSS引脚，避免使用过孔。
• 使用接地平面为设备和去耦电容之间的电源和信号电流提供最低阻抗路径，将设备下方的区域视为设备的中央接地区域，所有设备接地都应直接连接到该区域。

六、总结与展望

PCM182x凭借其高性能、灵活性和低功耗等优点，在音频应用领域具有广阔的应用前景。电子工程师在设计过程中，应充分了解其特性和技术细节，结合具体应用需求，合理进行硬件配置、电源设计和布局规划，以实现最佳的音频性能。随着音频技术的不断发展，相信PCM182x将在更多的创新应用中发挥重要作用。你在使用PCM182x进行设计时，是否遇到过一些独特的挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。