详解TI的PCM2901/2903立体声音频编解码器

在音频设备领域，一款性能出色且功能丰富的编解码器是实现高质量音频处理的关键。今天我们要深入探讨德州仪器（TI）的PCM2901和PCM2903立体声音频编解码器，这两款产品在USB音频应用中展现了卓越的性能和广泛的适用性。

文件下载：pcm2901.pdf

产品概述

PCM2901和PCM2903是TI推出的单芯片USB立体声音频编解码器，它们集成了与USB兼容的全速协议控制器，其中PCM2903还额外支持S/PDIF（索尼/飞利浦数字接口格式）。这两款产品采用了TI独特的 (SpAct ^{TM}) 架构，能够从USB数据包数据中恢复音频时钟，配合片上模拟PLL，实现低时钟抖动的播放和录制功能，并且播放和录制采样率可以独立设置。

产品特性剖析

1. USB接口特性

这两款编解码器具备片上USB接口，具有以下特点：

• 全速传输：配备全速收发器，完全符合USB 1.1规范，并通过了USB-IF认证。
• 可编程描述符：部分描述符可编程，可通过改变掩码进行修改。
• 自适应与异步模式：支持USB自适应模式进行播放，以及USB异步模式进行录制。
• 自供电功能：实现了设备的自供电能力。

2. ADC与DAC性能

• 采样率灵活：
  • DAC支持32kHz、44.1kHz和48kHz的采样率。
  • ADC支持8kHz、11.025kHz、16kHz、22.05kHz、32kHz、44.1kHz和48kHz的采样率。
• 出色的模拟性能：
  • 在典型的3.3V供电条件下，立体声ADC的总谐波失真加噪声（THD+N）低至0.01%，信噪比（SNR）达到89dB，动态范围为89dB。
  • 立体声DAC的THD+N更是低至0.005%，SNR为96dB，动态范围达到93dB。
• 数字滤波器特性：
  • ADC采用抽取数字滤波器，通带纹波为±0.05dB，阻带衰减为 - 65dB。
  • DAC采用过采样数字滤波器，通带纹波为±0.1dB，阻带衰减为 - 43dB。

3. 多功能特点

• 人机接口控制：支持人机接口设备（HID）的音量控制和静音控制功能。
• 暂停标志：具备暂停标志（SSPND），方便设备进入暂停状态。

4. 时钟与电源

• 时钟生成：片上时钟发生器采用单个12MHz时钟源，为USB和音频功能提供稳定时钟。
• 单电源供电：典型供电电压为3.3V，简化了电源设计。

应用领域广泛

PCM2901/2903适用于多种USB音频应用场景，如USB音频扬声器、USB耳机、USB显示器以及USB音频接口盒等。这些应用场景充分利用了产品的高集成度和高性能特点，为用户带来优质的音频体验。

电气特性详解

1. 数字输入输出

• 逻辑电平：不同引脚的高低电平输入输出电压有明确规定，例如高电平输入电压（VIH）在不同引脚的取值范围有所不同，D+、D - 引脚为2V至VDD，XTI、HID0、HID1和HID2引脚为0.7VDD至VDD等。
• 输入输出电流：高电平输入电流（IIH）和低电平输入电流（IIL）也有相应的规范，确保设备的正常工作。

2. 时钟频率

输入时钟频率（XTI）要求在11.994MHz至12.006MHz之间，以保证设备的稳定性和准确性。

3. ADC与DAC特性

• 分辨率与通道：ADC和DAC都支持8位和16位分辨率，以及单声道和立体声两种音频数据通道。
• 动态性能：除了前面提到的THD+N、SNR和动态范围等指标外，还包括通道分离度、增益失配、增益误差等参数，这些参数共同保证了音频信号的高质量处理。

引脚与功能说明

1. 引脚分配

PCM2901和PCM2903均采用28引脚的SSOP封装，不同引脚具有不同的功能，如模拟地、数字地、USB差分输入输出、音频输入输出、控制信号输入等。

2. 终端功能

每个引脚的具体功能都有详细说明，例如AGNDC为编解码器的模拟地，D+和D - 为USB差分输入输出引脚等。对于PCM2903，还增加了S/PDIF输入（DIN）和输出（DOUT）引脚。

功能框图与典型特性

1. 功能框图

通过功能框图可以清晰地看到产品的内部结构和信号流程，包括电源管理、USB协议控制器、ADC、DAC、FIFO、PLL等模块，以及它们之间的连接关系。

2. 典型特性

文档给出了一系列典型特性曲线，如总谐波失真加噪声（THD+N）、动态范围和信噪比（SNR）随自由空气温度、电源电压、采样频率的变化曲线，以及ADC和DAC的输出频谱曲线等。这些曲线为工程师在实际应用中评估产品性能提供了重要参考。

详细描述与接口配置

1. USB接口

控制数据和音频数据通过D+和D - 引脚以全速传输。设备描述符、配置描述符和字符串描述符都包含了一些可修改的信息，用户可以根据需要联系TI代表进行定制。

2. 设备配置

PCM2901/2903具有四个接口，每个接口由不同的替代设置构成。不同接口分别负责控制、音频流输出、音频流输入和中断数据输入等功能，并且每个接口都有特定的终端和端点。

3. 时钟与复位

产品需要一个12MHz（±500 ppm）的时钟，可以由内置晶体振荡器或外部时钟提供。同时，产品具有内部上电复位电路，当 (V_{DD}) 超过2.5V（典型值）时自动工作。

4. 数字音频接口（PCM2903）

PCM2903支持S/PDIF输入和输出，能够对输入数据进行格式选择和自动切换。同时，它还支持一些版权管理功能，如串行复制管理系统（SCMS）。

接口序列与典型电路连接

1. 接口序列

包括上电、连接、播放、停止、录制、暂停和恢复等序列，详细描述了设备在不同工作状态下的操作流程和信号变化。

2. 典型电路连接

文档给出了PCM2901和PCM2903的典型电路连接图，为工程师提供了设计参考。但需要注意的是，整个电路板设计需要考虑满足USB规范，以确保产品的兼容性和稳定性。

总结

TI的PCM2901/2903立体声音频编解码器以其丰富的特性、出色的性能和广泛的适用性，为USB音频应用提供了优秀的解决方案。无论是音频播放还是录制，都能满足高音质的要求。电子工程师在设计相关产品时，可以充分利用这两款编解码器的优势，开发出高质量的音频设备。大家在实际应用中是否遇到过类似编解码器的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。