探索高性能音频DAC——PCM1690-Q1的特性与应用

在消费音频领域，数字音频转换器（DAC）扮演着至关重要的角色，它直接决定了音频信号的转换质量和播放效果。今天，我们就来深入了解一款高性能、多通道DAC——PCM1690 - Q1，它在消费音频设备如蓝光DVD播放器、高清DVD播放器以及家庭多声道音频系统（如家庭影院和AV接收器）等应用中表现卓越。

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硬件参数与特性

绝对最大额定值与推荐工作条件

PCM1690 - Q1有特定的绝对最大额定值，例如工作自由空气温度范围为 -55°C 至 +150°C，引脚焊接时5秒的铅温度可达 +260°C，红外回流焊时封装峰值温度为 +260°C。推荐的工作条件中，模拟电源电压VCC为4.5 - 5.5V，典型值是5.0V；数字电源电压VDD为3.0 - 3.6V，典型值3.3V。采样频率LRCK范围是8 - 192kHz，系统时钟频率SCKI从2.048 - 36.864MHz。这些参数为工程师在设计电路时确定电源和时钟等条件提供了明确的指导。

电气特性

• 数字输入/输出特性：音频数据接口支持I²S、LJ、RJ、DSP、TDM等多种格式，数据字长有16、20、24、32位可选。输入逻辑电平方面，VIH在不同条件下有2.0V到VDD或5.5V等不同值，VIL为0.8V。输出逻辑电平如VOH在I_OUT = - 4mA时为2.4V，VOL在I_OUT = +4mA时为0.4V。
• DAC特性：DAC分辨率为16 - 24位。直流精度上，通道间增益失配为±2.0% - ±6%的满量程范围（FSR），增益误差为±2.0% - ±6%的FSR，双极性零误差为±1.0%的FSR。动态性能表现出色，总谐波失真 + 噪声（THD + N）在不同采样频率下可达 - 94dB，动态范围和信噪比在不同条件下也能达到很高的水平。

电源供应需求

PCM1690 - Q1对电源供应有明确要求，VCC1/2电压范围为4.5 - 5.5VDC，VDD为3.0 - 3.6VDC。在不同采样频率下，供应电流ICC和IDD不同，如在fS = 48kHz时，ICC为74 - 110mA，IDD为57 - 90mA。在全功率关闭模式下，供应电流会大幅降低，ICC为170μA，IDD为60μA。这为电源电路的设计提供了依据，工程师需要合理设计电源以满足不同工作状态下的需求。

引脚配置与功能

PCM1690 - Q1采用HTSSOP - 48封装，有众多引脚用于不同功能。例如，LRCK和BCK是音频数据时钟输入引脚，DIN1 - 4是音频数据输入引脚，VDD和VGND是数字电源和地，VCC1和VCC2是模拟电源，VOUT1 + - VOUT8 + 和VOUT1 - - VOUT8 - 是模拟输出引脚等。每个引脚都有其特定的功能和电气特性，工程师在设计PCB布局时需要充分考虑引脚的分布和连接，确保信号的稳定传输。

典型特性

• 数字滤波器特性：在不同的采样模式和速率下，数字滤波器有不同的频率响应。如单速率、双速率和四速率模式下，通带、阻带和通带纹波等参数不同。这有助于工程师根据具体应用需求选择合适的采样模式和滤波器配置，以达到最佳的音频处理效果。
• 动态性能特性：包括THD + N、动态范围和信噪比等随温度和其他条件的变化特性。了解这些特性可以帮助工程师在不同的工作环境下预测和优化DAC的性能。
• 输出频谱特性：展示了在不同条件下的输出频谱，有助于工程师分析音频信号的频率成分和噪声分布，从而进行针对性的滤波和优化。

工作模式与控制

采样模式

PCM1690 - Q1支持单速率、双速率和四速率三种采样模式。单速率模式下，DAC在低于50kHz的采样频率下以x128的过采样频率工作（除SCKI = 128fS和192fS时）；双速率模式适用于低于100kHz的采样频率，过采样频率为x64；四速率模式的过采样频率为x32。采样模式可以根据系统时钟频率和采样频率的比例自动选择，也可以通过串行模式控制寄存器手动选择。这为工程师提供了灵活的配置方式，以适应不同的音频处理需求。

复位操作

该芯片有内部上电复位电路和外部复位电路。内部上电复位在VDD超过2.2V典型值时自动触发，经过3846个SCKI时钟周期后释放内部复位。外部复位通过将RST引脚置低来实现，此时设备进入复位和掉电状态，功耗最低。在使用时，工程师需要注意复位电路的设计和时序，确保设备的正常启动和复位操作。

音频串行端口操作

音频串行端口由BCK、LRCK、DIN1、DIN2、DIN3和DIN4六个信号组成。BCK是位时钟输入，LRCK是左右字时钟或帧同步时钟输入，DIN1 - 4是音频数据输入。它支持多种音频数据接口格式，如I²S、左对齐、右对齐、DSP和TDM等。不同格式有不同的采样速率、位时钟和系统时钟限制，通过MC/SCL/FMT引脚在硬件控制模式下或通过控制寄存器在软件控制模式下进行选择。这要求工程师根据具体的音频系统和通信需求选择合适的格式，并确保相关时钟信号的同步和稳定。

零标志与AMUTE控制

PCM1690 - Q1有两个零标志引脚ZERO1和ZERO2，当指定通道的左右声道输入数据在1024个采样周期内都为‘0’时，零标志位会置为高电平‘1’；只要有一个通道的输入数据为‘1’，零标志位就会立即置为低电平‘0’。零标志的组合可以通过控制寄存器设置，并且可以反转其极性。AMUTE控制用于模拟静音功能，AMUTEI是内部模拟静音电路的输入控制引脚，低电平会使DAC输出与数字输入切断并强制为中心电平（0.5VCC1）；AMUTEO是模拟静音状态输出引脚，低电平表示模拟静音控制电路处于激活状态。工程师可以利用这些特性实现音频信号的监测和静音控制功能。

模式控制

芯片有三种模式控制接口，通过MODE引脚的输入状态可以选择两线I²C软件控制、三线SPI软件控制或硬件控制模式。不同模式下，部分引脚的功能会发生变化。例如，在SPI模式下，MD、MC、MS引脚用于控制；在I²C模式下，SDA、SCL、ADR0、ADR1引脚有相应的功能。工程师需要根据系统的控制需求和硬件资源选择合适的模式控制方式。

应用要点

连接与电源设计

在基本连接图中，需要进行必要的电源旁路和去耦。建议使用德州仪器的PLL170X来生成系统时钟输入SCKI和音频信号处理器的时钟。对于SCKI、LRCK、BCK、DIN1 - 4等信号，建议使用22Ω - 100Ω的串联电阻来减少电磁干扰（EMI）。模拟电源需要 +5V，数字电源需要 +3.3V，为了获得最佳性能，建议使用线性稳压器。并且需要使用五个电容器进行电源旁路，其中10μF的电容器为铝电解电容，三个1μF的电容器为陶瓷电容，这些电容器应尽量靠近芯片封装。

低通滤波器与差分转单端转换器

由于ΔΣ DAC采用噪声整形技术，会在奈奎斯特频率（fS/2）以上产生额外的带外噪声，因此需要进行低通滤波。推荐使用二阶巴特沃斯滤波器的多反馈（MFB）电路结构来设计外部差分转单端转换器和低通有源滤波器，以优化转换器性能。同时，建议使用高质量的音频运算放大器，如德州仪器的OPA2134、OPA2353和NE5532A等。

PCB布局

在PCB布局方面，建议使用接地平面，并通过分割或切割电路板来隔离模拟和数字部分。PCM1690 - Q1的数字I/O引脚应朝向接地平面的分割线，以确保与数字音频接口和控制信号的连接短而直接。此外，数字和模拟部分应使用单独的电源供应，以防止数字电源的开关噪声影响模拟电源，从而降低芯片的动态性能。

总结

PCM1690 - Q1是一款功能强大、性能卓越的多通道DAC，具有丰富的特性和灵活的控制方式。作为电子工程师，在使用该芯片进行设计时，需要充分了解其硬件参数、工作模式和应用要点，合理设计电路和PCB布局，以实现最佳的音频处理效果。大家在实际应用中有没有遇到过类似芯片在某些方面难以满足需求的情况呢？欢迎在评论区分享交流。