德州仪器PCM2704/5/6/7：USB立体声音频DAC的技术剖析

在音频设备的设计领域，高性能、集成化的音频DAC芯片是关键组件。德州仪器（TI）的PCM2704、PCM2705、PCM2706和PCM2707系列芯片，凭借其出色的性能和丰富的功能，在USB音频应用中占据了重要地位。本文将深入剖析这些芯片的特点、性能参数、工作模式以及应用电路，为电子工程师在音频设计中提供有价值的参考。

文件下载：pcm2706.pdf

一、芯片概述

PCM2704/5/6/7是TI推出的单芯片USB立体声音频DAC，集成了USB接口、时钟发生器、16位Delta - Sigma立体声DAC等功能模块。它支持多种采样率（32、44.1、48 kHz），具备出色的模拟性能，适用于多种USB音频设备。

1.1 主要特性

• 片上USB接口：无需专用设备驱动，支持全速收发器，完全符合USB 1.1规范，并通过USB - IF认证。部分可编程描述符，采用自适应等时传输进行播放，支持总线供电或自供电。
• 时钟与电源：片上时钟发生器使用单12 - MHz时钟源。单电源供电，总线供电典型值为5 V，自供电典型值为3.3 V。
• DAC性能：16位Delta - Sigma立体声DAC，在5 V（总线供电）和3.3 V（自供电）下具有良好的模拟性能，如THD + N低至0.006%（(R_{L}>10 k Omega)，自供电），SNR达98 dB，动态范围为98 dB。
• 多功能设计：最多支持八个HID接口（取决于型号和设置），具备暂停标志，支持带SCMS的S/PDIF输出，部分型号还支持外部ROM接口、串行编程接口和I2S接口。

1.2 封装形式

• PCM2704/5采用28 - 引脚SSOP封装。
• PCM2706/7采用32 - 引脚TQFP封装。

二、电气特性与性能参数

2.1 绝对最大额定值

芯片的绝对最大额定值规定了其在各种电气参数下的安全工作范围，如电源电压、输入电压、电流等。例如，(V_{BUS})的范围为 - 0.3 V至6.5 V，输入电流（除电源引脚外）为±10 mA等。超出这些范围可能会导致芯片永久性损坏。

2.2 推荐工作条件

推荐工作条件是保证芯片正常、稳定工作的参数范围。如(V{BUS})在总线供电时为4.35 - 5.25 V，自供电时(V{CCP})、(V{CCL})、(V{CCR})、(V_{DD})为3 - 3.6 V，输入时钟频率为11.994 - 12.006 MHz等。

2.3 典型性能曲线

从典型性能曲线中可以直观地了解芯片在不同条件下的性能表现。例如，THD + N随温度、电源电压、采样频率的变化曲线，以及动态范围和SNR与温度、电源电压、采样频率的关系曲线等。这些曲线有助于工程师在设计时评估芯片在不同工作环境下的性能。

三、工作模式与功能实现

3.1 时钟与复位

芯片的USB和音频功能需要一个12 - MHz（±500 ppm）的时钟，可以由内置振荡器使用12 - MHz晶体谐振器产生。芯片具有内部上电复位电路，当(V_{DD})超过2 V（典型值）时，内部复位开始工作，约700 µs后内部复位释放。

3.2 操作模式选择

• 电源配置选择/主机检测：PSEL引脚用于选择电源源，影响配置描述符。在总线供电时，HOST引脚决定最大功耗；自供电时，HOST需连接到(V_{BUS})以检测连接状态。
• 功能选择（PCM2706/7）：FSEL引脚决定FUNC0 - FUNC3和DOUT的功能，可选择I2S接口或S/PDIF输出。

3.3 USB接口与设备描述符

控制数据和音频数据通过D + 和D - 引脚传输，D + 需用1.5 - kΩ（±5%）电阻上拉。设备描述符、配置描述符和字符串描述符部分可通过外部ROM、SPI或内部掩码ROM进行修改。

3.4 设备配置与端点

芯片具有三个接口和三个端点，分别实现不同的功能。

• 接口0（默认/控制接口）：用于音频控制，支持音量控制和静音控制。
• 接口1（等时输出接口）：用于音频流数据输出，支持多种数据格式和采样率。
• 接口2（HID接口）：用于中断数据输入，可报告按键状态。
• 端点：包括控制端点（EP #0）、等时输出音频数据流端点（EP #2）和HID端点（EP #5）。

3.5 数字音频接口

• S/PDIF输出：将等时输出数据编码为S/PDIF输出，遵循IEC - 60958标准，支持版权管理。
• I2S接口输出（PCM2706/7）：通过FSEL引脚启用，提供16位I2S格式的数字输出/输入数据。

四、描述符数据修改

描述符数据可通过外部ROM（PCM2704/6）或SPI（PCM2705/7）进行修改，但需满足特定条件，如PSEL和HOST引脚状态。修改时需注意数据格式和顺序，以及与实际应用电路配置的一致性。

4.1 外部ROM描述符

使用外部ROM描述符时，通过I2C接口传输数据。数据包括供应商ID、产品ID、产品字符串、供应商字符串、电源属性、最大功耗和辅助HID使用ID等。

4.2 串行编程接口（PCM2705/7）

支持SPI接口进行描述符编程和HID状态设置，通过特定的寄存器和时序实现数据传输。

五、典型应用电路

文档中给出了三种典型应用电路，分别适用于USB扬声器、远程耳机和DSP环绕处理放大器。这些电路展示了芯片在不同应用场景下的连接方式和外围元件的选择。

5.1 USB扬声器电路

适用于总线供电、500 - mA的应用，通过功率放大器驱动扬声器。电路中需要注意电容、电阻的选择，以及电源和信号的滤波处理。

5.2 远程耳机电路

用于总线供电、100 - mA的耳机，支持多个HID功能。同样，合理的元件选择和布局对于保证音质和稳定性至关重要。

5.3 DSP环绕处理放大器电路

适用于自供电、支持I2S和SPI接口的应用。在这种电路中，需要注意与其他数字信号处理模块的接口匹配和信号传输。

六、总结与思考

PCM2704/5/6/7系列芯片以其丰富的功能和出色的性能，为USB音频设备的设计提供了强大的支持。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的设计需求，合理选择芯片型号和工作模式，正确配置描述符数据，并优化应用电路的设计。同时，要注意芯片的电气特性和性能参数，确保设备在各种工作条件下都能稳定、可靠地运行。

在设计过程中，你是否遇到过描述符数据修改不生效的问题？或者在选择外围元件时，如何平衡音质和成本的关系？欢迎在评论区分享你的经验和见解。