深入剖析PCM1804 24位立体声A/D转换器：特性、原理与应用

在音频处理和转换领域，A/D转换器扮演着至关重要的角色。今天我们要详细探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的PCM1804，一款高性能的24位、192 - kHz立体声A/D转换器，它具备全差分模拟输入，适用于多种音频应用场景。

文件下载：pcm1804.pdf

一、PCM1804的特性亮点

1. 高精度转换

PCM1804是一款24位Delta - Sigma立体声A/D转换器，能够提供高精度的音频转换。其动态范围典型值可达112 dB，信噪比（SNR）典型值为111 dB，总谐波失真加噪声（THD+N）典型值为 - 102 dB，这些出色的指标保证了音频信号的高质量转换。

2. 高性能滤波器

它配备了高性能的线性相位抗混叠数字滤波器，通带波纹仅 ± 0.005 dB，阻带衰减可达 - 100 dB。这使得它在处理音频信号时，能够有效滤除不需要的高频成分，减少混叠现象，保证音频信号的纯净度。

3. 全差分输入与灵活接口

全差分模拟输入范围为 ± 2.5 V，这种设计可以提供更好的抗干扰能力和共模抑制比。音频接口支持主模式或从模式选择，数据格式包括左对齐、I2S、标准24位和DSD，为不同的音频系统提供了极大的灵活性。

4. 丰富功能与宽采样率

具备峰值检测和高通滤波器（HPF）功能，HPF在 (f{S}=48 kHz) 时 - 3 dB截止频率为1 Hz。采样率最高可达192 kHz，系统时钟支持128 (f{S})、256 (f{S})、384 (f{S})、512 (f{S}) 或768 (f{S})，可以满足不同音频应用对采样率的要求。

5. 低功耗与小封装

采用双电源供电，模拟部分为5 V，数字部分为3.3 V，功耗仅为225 mW。并且采用了小巧的28引脚SSOP封装，适合对空间要求较高的设计。

6. DSD输出

支持DSD输出模式，输出为1位、64 (f_{S})，满足对DSD音频格式有需求的应用。

二、工作原理

1. 整体架构

PCM1804主要由带隙基准、L通道和R通道的全差分架构Delta - Sigma调制器、带高通滤波器的抽取滤波器以及串行接口电路组成。片内高精度基准配合10 - μF外部电容器，为芯片提供所需的参考电压，并定义了两个通道的满量程电压范围。

2. 信号处理流程

输入信号根据过采样比控制（OSR[0:2]）以×128、×64和×32的过采样率进行采样。Delta - Sigma调制器对输入信号进行调制，将其转换为过采样数据流，同时随机化调制器输出，降低空闲音水平。抽取滤波器将过采样数据流转换为1 - (f_{S})、24位的数字信号，并去除高频噪声成分。高通滤波器去除信号中的直流成分，最后通过串行接口将处理后的信号转换为时分复用的串行信号输出。

3. 系统时钟与控制

系统时钟支持多种频率，必须通过SCKI（引脚18）提供。在主模式下，系统时钟速率由OSR2、OSR1和OSR0引脚选择；在从模式下，系统时钟速率自动检测。此外，芯片还具备上电复位、外部复位和掉电功能，通过RST引脚进行控制。

三、电气特性与性能曲线

1. 电气特性

在 (T{A}=25^{circ} C)、(V{CC}=5 ~V)、(V{D D}=3.3 ~V)、主模式、单速模式、(f{S}=48 kHz)、系统时钟 = 256 (f_{S})、24位数据的条件下，PCM1804的分辨率为24位，音频数据接口支持标准、I2S、左对齐等格式，数据位长度为24位。其数字输入输出的高低电平电压、电流等参数都有明确的规定，以保证与其他电路的兼容性。

2. 性能曲线

文档中给出了多种典型性能曲线，包括总谐波失真加噪声（THD+N）、动态范围和信噪比（SNR）随温度、电源电压、采样频率和信号电平的变化情况。这些曲线可以帮助工程师在不同的工作条件下，评估PCM1804的性能表现，从而优化设计。

四、音频数据接口

1. 接口模式

支持主模式和从模式，通过S/M（引脚8）进行选择。在主模式下，PCM1804为串行音频数据通信提供时序；在从模式下，它从外部控制器接收数据传输的时序。但需要注意的是，从模式不适用于DSD模式。

2. 数据格式

支持四种音频数据格式，由FMT0（引脚6）和FMT1（引脚7）选择，包括PCM左对齐、PCM I2S、PCM标准24位和DSD格式，满足不同音频系统的需求。

3. 接口时序

文档详细给出了PCM和DSD模式下的接口时序图和相关参数，如BCK周期、脉冲持续时间、延迟时间等。工程师在设计电路时，需要严格按照这些时序要求进行连接和配置，以确保数据的正确传输。

五、应用与设计要点

1. 应用场景

PCM1804适用于多种音频应用，如AV放大器、MD播放器、数字录像机、数字混音器和数字录音机等，能够为这些设备提供高质量的音频转换功能。

2. 电路板设计与布局

在设计电路板时，需要注意以下几点：

• 电源引脚：数字和模拟电源线路应使用0.1 - μF陶瓷和10 - μF钽电容就近旁路到相应的接地引脚，以提高ADC的动态性能。建议使用一个公共电源，避免出现闩锁或电源顺序等问题。
• 输入引脚：在 (V{IN} L+) 和 (V{IN} L-)、(V{IN} R+) 和 (V{IN} R-) 之间使用0.01 - μF薄膜电容，去除Delta - Sigma输入部分的高频噪声。
• 参考和共模电压输入：在 (V{REF} L)、(V{REF} R) 与相应的AGNDx之间使用0.1 - μF陶瓷和10 - μF钽电容，在 (V{COM} L)、(V{COM} R) 与相应的AGNDx之间使用0.1 - μF钽电容，确保低源阻抗。
• 数据和时钟引脚：在主模式下，DATA/DSDR、BCK/DSDL和LRCK/DSDBCK引脚具有较大的负载驱动能力。应将缓冲器靠近PCM1804放置，并尽量减小负载电容，以减少数字 - 模拟串扰。
• 系统时钟：系统时钟的质量会影响动态性能，需要考虑时钟的占空比、抖动以及主从模式下时钟转换的时间差。
• 复位控制：如果在 (V{REF} L) 和 (V{REF} R) 上使用大于10 μF的电容，需要外部复位控制，并设置相应的延迟时间。

3. 单端输入应用电路

文档给出了单端输入电路的应用图，该电路的最大信号输入电压和差分增益有明确设计，通过合理选择电阻和电容值，可以实现低阻抗驱动操作和噪声滤波。

六、总结

PCM1804是一款功能强大、性能出色的立体声A/D转换器，具有高精度、高性能、灵活的接口和丰富的功能。在音频设计中，工程师可以根据其特性和工作原理，结合具体的应用需求，合理进行电路设计和布局，以充分发挥其优势，实现高质量的音频转换。同时，在实际应用中，还需要注意各种电气特性和接口时序要求，确保系统的稳定性和可靠性。那么，你在使用类似的A/D转换器时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。