德州仪器PCM186x音频ADC：高性能与灵活性的完美结合

在音频处理领域，一款优秀的音频ADC（模拟 - 数字转换器）对于实现高质量的音频采集和处理至关重要。德州仪器（TI）的PCM186x系列音频ADC就是这样一款备受关注的产品。今天，我们就来深入探讨一下PCM186x系列的特点、功能、应用以及设计要点。

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一、产品概述

PCM186x系列包括PCM1860、PCM1861、PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865等型号，它们采用了全新的音频功能集成方法，既满足了欧洲生态设计立法的要求，又能以较低的成本实现高性能的终端产品。该系列支持3.3V单电源供电，在小封装中集成了可编程增益放大器（PGA），这使得实现更小、更智能的产品成为可能。

二、核心特性

2.1 高SNR性能

不同型号具有不同的信噪比（SNR）性能，PCM1861/63/65的SNR高达110dB，而PCM1860/62/64也能达到103dB。高SNR意味着在音频采集过程中能够更准确地还原原始音频信号，减少噪声干扰，对于对音质要求较高的应用场景，如专业音频录制、高品质音响系统等，具有重要意义。

2.2 灵活的采样率和输入通道

ADC采样率范围从8kHz到192kHz，能够适应不同的音频应用需求。同时，最多可提供四个独立的ADC通道，支持单端和差分输入。单端输入的满量程为2.1V RMS，差分输入则可达4.2V RMS，这种灵活性使得PCM186x可以与各种音频源进行适配。

2.3 多样的控制方式

PCM1860和PCM1861采用硬件（HW）控制方式，而PCM1862/63/64/65则支持软件（SW）控制，可通过I²C或SPI接口进行配置。软件控制的型号还支持最多四个数字麦克风，为音频输入提供了更多的选择。

2.4 可编程增益放大器

PCM186x的PGA具有灵活的增益调节功能。对于硬件控制的PCM1860/61，提供了0dB、12dB和32dB的固定增益选项；而软件控制的PCM1862/63/64/65则支持从 - 12dB到 + 32dB的可编程增益，增益调节步长为0.5dB，能够根据不同的音频输入信号强度进行精确调整。

2.5 集成高性能音频PLL

内部集成的PLL可以从任何1MHz到50MHz的时钟源生成实际的音频速率时钟，为系统提供稳定的时钟信号，确保音频处理的准确性和稳定性。

2.6 低功耗设计

在3.3V电源下，不同型号的功耗有所不同。PCM1860/61/62/63的功耗小于85mW，PCM1864/65的功耗小于145mW。此外，还具备EnergySense音频内容检测器，可实现自动系统唤醒和睡眠功能，进一步降低功耗。

三、功能模块解析

3.1 模拟前端

PCM186x的模拟前端具有很高的灵活性，支持差分和单端输入。在单端模式下，输入电平可从毫伏级的麦克风输入到2.1V RMS的线路输入；在差分模式下，输入电平可高达4.2V RMS。MIX和MUX电路允许在单端和差分模式下对模拟输入进行混合和复用，不过只有软件控制的型号才具备混合功能。在设计时，需要注意在模拟输入上使用直流阻隔电容，以确保正确的直流偏置条件。

3.2 麦克风支持

该系列支持模拟和数字麦克风。对于模拟麦克风，需要提供2.6V的麦克风偏置电压；对于数字麦克风，软件控制的型号可支持最多四个数字麦克风。不同型号在数字麦克风模式下的增益有所不同，PCM1862和PCM1863在混音器中可提供高达18dB的增益，而PCM1864和PCM1865则可提供高达30dB的增益（18dB来自混音器，12dB来自数字PGA）。

3.3 时钟系统

PCM186x的时钟架构非常灵活，既可以作为时钟主设备，也可以作为时钟从设备。它可以从外部晶体或CMOS电平时钟获取主时钟，并且集成的PLL能够根据不同的时钟源生成所需的音频时钟。在不同的时钟模式下，需要根据具体的应用需求进行合理的配置，例如在硬件控制的PCM1860和PCM1861中，可通过MD0和MD1选择主从模式和时钟比率；在软件控制的型号中，则可通过寄存器进行更精细的配置。

3.4 模数转换器（ADCs）

3.4.1 主音频ADC

主音频ADC的SNR性能因型号而异，PCM1860/62/64为103dB，PCM1861/63/65为110dB，带宽为40kHz。这些ADC与专用的PGAs和输入多路复用器紧密耦合，能够提供高质量的音频转换。

3.4.2 辅助ADC

辅助ADC主要用于信号电平检测或直流电平变化检测，具有低功耗的特点。在睡眠模式下，可用于监测模拟输入；在控制检测模式下，可用于测量系统中的直流电压，如电池电压和控制电位器的电压。辅助ADC的采样率与主ADC的音频采样时钟相关，在睡眠模式下可切换到片上振荡器时钟。

3.5 音频处理功能

3.5.1 DSP处理

DSP1和DSP2是固定功能的处理器，用于执行多种滤波、混合、信号检测和管理功能。通过间接编程的方式，可以将滤波器和混音器的系数写入到DSP中。例如，在数字抽取滤波器中，提供了经典FIR响应和低延迟IIR响应两种选择，可根据具体的应用需求进行切换。

3.5.2 数字混音功能

该功能允许在ADC之后进行混音，以及实现ADC与输入I²S信号的混合。在输出信号到I²S DAC或放大器之前，可以进行音量控制。增益范围从 - 120dB到 + 18dB，并且可以通过对正增益系数进行补码运算来实现相位反转。

3.6 中断控制器

硬件控制的PCM1860和PCM1861的INT引脚默认用于能量感知信号检测；而软件控制的型号则具有多个可映射到中断输出的信号源，包括能量感知、辅助ADC控制检测中断、PGA削波后检测和DIN切换等。通过中断控制器的相关寄存器，可以对中断源进行过滤、监测和清除，还可以改变中断信号的极性和脉冲宽度。

3.7 音频格式选择

PCM1860和PCM1861通过硬件引脚配置选择音频格式，可选左对齐数据（LJ）或I²S；软件控制的型号则通过寄存器进行格式选择，支持右对齐（RJ）和时分复用（TDM）数据，为多通道音频处理提供了更多的选择。

四、应用场景

4.1 家庭影院和电视

在家庭影院和电视系统中，PCM186x可以用于音频采集和处理，高SNR性能和灵活的输入通道能够满足多声道音频的需求，为用户带来高品质的音频体验。

4.2 语音控制设备

对于语音控制设备，如智能音箱、语音助手等，PCM186x的低功耗设计和对数字麦克风的支持，使得设备能够在长时间待机的情况下保持对语音信号的监测，并且能够准确地采集和处理语音指令。

4.3 蓝牙音箱

在蓝牙音箱中，PCM186x可以与蓝牙模块配合，实现音频信号的采集和处理。其灵活的时钟系统和音频格式选择，能够适应不同蓝牙模块的时钟要求和音频格式，确保音频传输的稳定性和质量。

4.4 麦克风阵列处理器

在麦克风阵列处理器中，PCM186x的多通道功能和高性能ADC可以同时采集多个麦克风的音频信号，为后续的音频处理和分析提供准确的数据。

五、设计要点

5.1 电源设计

PCM186x使用AVDD（3.3V模拟电源）、DVDD（3.3V数字电源）和IOVDD（3.3V或1.8V输入输出电源）三个内部电源轨。在设计时，需要注意电源的分配和去耦，将去耦电容尽可能靠近电源引脚放置，以减少电源噪声对芯片性能的影响。此外，还可以通过旁路内部LDO来降低功耗，但需要注意TDM模式下的BCK频率限制。

5.2 时钟设计

选择合适的时钟源对于PCM186x的性能至关重要。对于最高性能的应用，建议在主模式下使用稳定的SCK源，如CMOS SCK或外部晶体。在使用PLL时，需要根据具体的时钟源和采样率要求进行合理的配置，确保PLL的输入和输出满足相关条件。

5.3 PCB布局

在PCB布局方面，应采用最佳的设计实践，将模拟和数字部分分开，避免数字噪声对模拟信号的干扰。将去耦电容尽可能靠近电源引脚，并与芯片在同一层，避免在去耦电容和芯片之间使用过孔。同时，在输入走线之间放置接地平面，以降低串扰。

5.4 寄存器配置

对于软件控制的PCM186x型号，寄存器配置是实现各种功能的关键。需要根据具体的应用需求，对时钟模式、增益设置、音频格式、中断控制等寄存器进行正确的配置。在配置过程中，要注意寄存器的读写操作时序和数据格式。

六、总结

德州仪器的PCM186x系列音频ADC以其高性能、灵活性和低功耗等特点，为音频处理领域提供了优秀的解决方案。无论是在家庭影院、语音控制设备还是其他音频应用中，PCM186x都能够发挥出其优势。在设计过程中，我们需要充分了解其各项特性和功能，合理进行电源设计、时钟设计、PCB布局和寄存器配置，以确保系统的性能和稳定性。希望本文能够为电子工程师在使用PCM186x系列音频ADC时提供一些有用的参考和指导。如果你在设计过程中遇到任何问题，欢迎在评论区留言讨论。