探索PCM182x：高性能音频ADC的卓越之选

在音频处理领域，模拟到数字的转换是至关重要的一环，它直接影响着音频信号的质量和处理效果。德州仪器（TI）的PCM182x系列，包括PCM1820和PCM1821，作为高性能的音频模拟 - 数字转换器（ADC），为音频系统设计带来了新的可能性。

文件下载：pcm1820.pdf

1. 产品概述

PCM182x是一款立体声、32位、采样率高达192kHz的音频ADC。它支持同时对两个模拟通道进行采样，可处理来自差分线路和麦克风的输入信号，满量程信号为2 - V RMS，适用于对音频质量和性能要求较高的应用场景。

2. 核心特性亮点

2.1 高转换性能

• 动态范围出色：PCM1820在启用动态范围增强器（DRE）时，动态范围可达123 dB；禁用时为113 dB。PCM1821的动态范围为106 dB。这使得设备能够在不同的音频环境下，精准地捕捉微弱信号和大动态音频，保证了音频的高保真度。
• 低失真度：总谐波失真加噪声（THD + N）低至 - 95 dB，有效减少了音频信号中的失真和噪声干扰，还原出纯净的原始音频。

2.2 灵活的配置选项

• 硬件引脚控制：通过硬件引脚控制（MSZ、MD0、MD1、FMT0），可以方便地选择设备的工作模式和音频接口，如主从模式、音频格式（TDM或I²S）等，满足多样化的系统设计需求。
• 滤波模式选择：支持线性相位或低延迟滤波选择，可根据不同应用场景对频率响应、群延迟和相位线性度的要求进行灵活配置。

2.3 接口与时钟优势

• 音频串行接口：具备灵活的音频串行数据接口，支持主从模式选择，可实现32位、2通道的TDM或I²S传输，方便与各种主机处理器进行通信和数据传输。
• 集成PLL：内置高性能音频锁相环（PLL），支持多种输出数据采样率和BCLK到FSYNC的比率配置，无需主机编程即可自动完成时钟分频和PLL配置，确保了稳定的时钟信号和准确的采样频率。

2.4 低功耗与单电源设计

• 功耗低：采用单电源3.3 V供电，并且具有自动掉电功能，当音频时钟丢失时，设备会自动进入低功耗状态，降低了整体功耗。例如，在3.3 - V AVDD供电下，16 - kHz采样率时每通道功耗为19.6 mW，48 - kHz采样率时为21.3 mW。
• I/O电源灵活：I/O电源支持3.3 V或1.8 V操作，增加了与不同系统的兼容性。

3. 产品应用领域

PCM182x的高性能和灵活性使其在众多音频应用中得到广泛使用：

• 智能音箱：能够准确地捕捉用户的语音指令，实现高保真的音频录制和播放，提升用户体验。
• DVD录制与播放设备：保证了音频信号的高质量转换，为用户带来清晰、逼真的音轨效果。
• AV接收器：实现多声道音频的高质量处理和传输，打造沉浸式的家庭影院体验。
• 视频会议系统：清晰准确地采集和传输语音信号，确保远程沟通的质量。
• IP网络摄像机：在监控过程中，同步录制高质量的音频，提供更全面的监控信息。

4. 技术细节剖析

4.1 引脚功能与配置

PCM182x采用20引脚的WQFN封装，各引脚具有特定的功能。例如，INxP和INxM为模拟输入引脚，用于连接麦克风或线路输入；SDOUT为数字音频数据输出引脚；BCLK和FSYNC分别为音频串行数据接口的位时钟和帧同步信号。通过对这些引脚的合理配置，可以实现设备的各种功能模式。

4.2 音频接口协议

• TDM接口：在TDM模式下，FSYNC的上升沿触发数据传输，从槽0数据开始，依次传输其余槽的数据。每个数据位（除槽0的MSB在特定条件下）在BCLK的上升沿传输。
• I²S接口：I²S模式遵循标准协议，左右声道的MSB分别在FSYNC的特定边沿触发后，在BCLK的下降沿传输后续数据。

4.3 时钟与锁相环

• 在从模式下，设备根据支持的FSYNC和BCLK频率，自动配置内部时钟分频器和PLL，确保稳定的时钟信号。
• 主模式下，使用MD1引脚作为系统时钟参考输入，通过MD0引脚选择系统时钟频率为256 × fS或512 × fS。

4.4 输入通道与信号处理

• 设备具有两对差分模拟输入引脚，支持同时对两个通道进行录音。输入信号应采用交流耦合方式，并且为了获得最佳的失真性能，建议使用低电压系数的电容进行交流耦合。
• 信号处理链包括前端动态范围增强器（DRE）、低噪声放大器、多比特ΔΣ ADC和数字抽取滤波器。DRE可自动调整内部放大器增益，提高整体通道的动态范围和性能；数字抽取滤波器可根据需要选择线性相位或低延迟滤波器，对采样数据进行处理。

4.5 参考电压与滤波器

• 内部通过带隙电路生成低噪声参考电压，VREF引脚需连接至少1 - µF的电容到模拟地进行滤波，VREF值为2.75 V，支持2 - V RMS的差分满量程输入。
• 设备内置固定的高通滤波器（HPF），可去除输入信号中的直流偏移分量和低频噪声，其 - 3 dB截止频率为0.00025 × fS。

5. 设计与应用建议

5.1 电源供应

• 电源供应顺序可以是IOVDD和AVDD任意顺序，但必须在电源电压稳定到支持的工作电压范围后再提供时钟信号。
• 电源上升和下降时间有一定要求，t1和t2至少为100 µs（上电），t3和t4至少为10 ms（下电），且电源斜坡速率应慢于1 V/µs，两次电源操作之间的等待时间至少为100 ms。

5.2 布局设计

• 热管理：将散热垫连接到地，并使用过孔图案将其与接地平面连接，有助于散热。
• 去耦电容：电源去耦电容应靠近设备引脚放置，以减少电源噪声。
• 信号布线：模拟差分音频信号应在PCB上进行差分布线，避免与数字信号交叉，防止串扰。同时，VREF外部电容的接地端应直接连接到AVSS引脚，不使用过孔。
• 接地处理：使用接地平面为电源和信号电流提供低阻抗路径，将设备下方区域作为中央接地区域，所有设备接地都应直接连接到该区域。

5.3 应用电路设计

在典型应用中，如使用立体声模拟MEMS麦克风进行同时录音操作时，需要注意输入AC耦合电容的选择，建议使用低电压系数的电容以获得最佳失真性能。同时，按照设计要求正确配置硬件控制引脚（MSZ、FMT0、MD0、MD1），并提供合适的FSYNC和BCLK时钟信号。

6. 总结

PCM182x系列音频ADC凭借其出色的性能、灵活的配置选项和低功耗设计，为音频系统设计提供了强大的支持。无论是在消费电子、专业音频设备还是工业应用中，都能够满足对高质量音频处理的需求。作为电子工程师，在设计音频相关产品时，PCM182x无疑是一个值得考虑的优秀选择。你在实际应用中是否遇到过类似高性能ADC的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。