探索PCM1793：24位音频DAC的卓越性能与应用指南

在音频处理领域，数字 - 模拟转换器（DAC）的性能对音质起着关键作用。今天，我们来深入了解德州仪器（Texas Instruments）的PCM1793，一款24位、192kHz采样的高级分段音频立体声DAC。

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产品概述

PCM1793是一款单芯片CMOS集成电路，采用小巧的28引脚SSOP封装，集成了立体声数字 - 模拟转换器和支持电路。它运用TI先进的分段DAC架构，实现了出色的动态性能，并提高了对时钟抖动的容忍度。该芯片支持高达200kHz的采样率，提供平衡电压输出，方便用户在外部优化模拟性能。

关键特性

高精度与高性能

• 分辨率：24位分辨率，能够提供细腻、精准的音频信号转换。
• 模拟性能：动态范围达113dB，总谐波失真加噪声（THD+N）低至0.001%，满量程输出为2.1V rms（在后置放大器处），差分电压输出为3.2V p-p，确保了高质量的音频输出。
• 数字滤波器：8倍过采样数字滤波器，阻带衰减为 - 82dB，通带纹波仅为±0.002dB，有效减少了噪声和失真。

灵活的数据处理

• 采样频率：支持10kHz至200kHz的采样频率，系统时钟可自动检测128、192、256、384、512或768 fs。
• 数据格式：接受16位、20位和24位音频数据，支持标准、I2S和左对齐等数据格式，满足不同应用的需求。

其他特性

• 数字去加重：提供数字去加重功能，优化音频信号的频率响应。
• 软静音：支持软静音操作，实现无咔嗒声的静音切换。
• 零标志输出：每个输出都有零标志，方便监测音频信号状态。
• 双电源供电：采用5V模拟电源和3.3V数字电源，5V耐压数字输入，增强了系统的稳定性。

应用领域

PCM1793的高性能使其适用于多种音频应用场景，包括但不限于：

• 音频设备：A/V接收器、DVD播放器、数字多轨录音机等。
• 乐器：各种电子乐器，提供高质量的音频输出。
• 显示设备：HDTV接收器，提升音频体验。
• 汽车音频：汽车音响系统，满足车内高品质音频需求。

电气特性

绝对最大额定值

在使用PCM1793时，需要注意其绝对最大额定值，以避免对芯片造成永久性损坏。例如，电源电压范围为 - 0.3V至6.5V，数字输入电压范围为 - 0.3V至6.5V等。

电气参数

在典型工作条件下（TA = 25°C，VCC = 5V，VDD = 3.3V，fS = 44.1kHz，系统时钟 = 256 fs，24位数据），PCM1793的各项电气参数表现出色。例如，THD+N在fS = 44.1kHz时低至0.001%，动态范围在不同采样频率下均可达113dB。

功能描述

系统时钟与复位

• 系统时钟：PCM1793需要系统时钟来驱动数字插值滤波器和高级分段DAC调制器。系统时钟通过SCK输入（引脚5），芯片具有自动检测系统时钟频率的功能。为了获得最佳性能，建议使用低相位抖动和噪声的时钟源，如TI的PLL1700系列多时钟发生器。
• 复位功能：芯片具备上电复位和外部复位功能。上电复位在VDD > 2V时启用，初始化序列需要1024个系统时钟周期；外部复位通过RST输入（引脚6）实现，将RST引脚置为逻辑0至少20ns，然后置为逻辑1，启动初始化序列。

音频数据接口

• 串行接口：音频接口为3线串行端口，包括LRCK（引脚1）、BCK（引脚2）和DATA（引脚3）。BCK作为串行音频位时钟，在其上升沿将串行数据时钟输入到PCM1793；LRCK为串行音频左右字时钟。
• 数据格式：支持标准右对齐、I2S和左对齐等音频数据格式，通过FMT2、FMT1和FMT0引脚选择。所有格式均要求二进制补码、MSB优先的音频数据。

其他功能

• 零检测：当检测到左声道或右声道的音频输入数据连续1024个fS为零时，相应的零标志引脚（ZEROL或ZEROR）置为高电平。
• 软静音：将MUTE引脚（引脚4）置为高电平，模拟输出以 - 0.5dB的步长过渡到双极零电平，实现无咔嗒声的静音。
• 去加重：芯片具有针对32kHz、44.1kHz和48kHz采样频率的去加重滤波器，通过DEMP1和DEMP0引脚选择去加重功能。

应用电路设计

模拟输出

• 输出电平与LPF：DAC差分电压输出在0dB（满量程）时为3.2V p-p，LPF的电压输出由VOUT = 3.2Vp-p × (Rf / Ri) 计算得出，其中Rf为LPF中的反馈电阻，Ri为输入电阻。
• 运算放大器选择：建议使用OPA2134或5532类型的运算放大器用于LPF电路，以获得指定的音频性能。运算放大器的动态性能（如增益带宽、建立时间和压摆率）对LPF部分的音频动态性能有重要影响。

PCB布局

• 接地与隔离：推荐使用接地平面，通过分割或切割电路板将模拟和数字部分隔离。PCM1793的数字I/O引脚应朝向接地平面分割处，以实现与数字音频接口和控制信号的短而直接的连接。
• 电源供应：数字和模拟部分建议使用单独的电源，以防止数字电源上的开关噪声干扰模拟电源。如果使用公共5V电源，应在模拟和数字5V电源连接之间放置电感（RF扼流圈、铁氧体磁珠）。

旁路与去耦电容

各种尺寸的去耦电容均可使用，无需特殊公差。所有电容应尽可能靠近PCM1793的相应引脚，以减少周围电路的噪声拾取。较大值的电容建议使用专为高保真音频应用设计的铝电解电容，较小值的电容可使用金属膜或单片陶瓷电容。

后置LPF设计

通过合理选择后置LPF电路中的运算放大器和电阻，可以实现PCM1793的出色性能。为了获得0.001% THD+N、113dB信噪比的音频性能，需要考虑运算放大器的THD+N和输入噪声性能。建议使用二阶或三阶后置LPF，其截止频率取决于应用场景。

总结

PCM1793以其卓越的性能、灵活的功能和广泛的应用领域，成为音频处理领域的优秀选择。在设计应用电路时，需要注意PCB布局、电源供应、电容选择和后置LPF设计等方面，以充分发挥其性能优势。你在使用PCM1793或其他音频DAC时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。