WM8738：高性能立体声音频ADC的深度解析

在当今的消费电子市场中，音频处理的需求日益增长，一款高性能的音频ADC（模拟 - 数字转换器）至关重要。今天，我们就来深入了解一下Wolfson Microelectronics推出的WM8738，这是一款专为消费应用设计的高性能立体声音频ADC。

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1. 产品概述

WM8738具备立体声线路电平音频输入，还有一个控制输入引脚，可让音频接口在两种行业标准模式下运行。同时，它拥有可选的数字高通滤波器，能去除残留的直流偏移。其立体声24位多位sigma - delta ADC搭配过采样数字插值滤波器，支持24位数字音频输出字长和32kHz至96kHz的采样率。该器件采用小型14引脚SOIC封装。

2. 产品特性

2.1 音频性能

具有90dB的信噪比（‘A’加权 @ 48kHz），能提供高质量的音频转换。

2.2 电源供应

• 模拟电源电压范围为3.0 - 5.5V，数字电源电压范围为3.0 - 3.6V，这种宽范围的电源供应增强了其在不同应用场景下的适应性。

  2.3 采样频率

  ADC采样频率为32kHz - 96kHz，可满足多种音频采样需求。

  2.4 滤波器

  具备可选的ADC高通滤波器，能有效去除音频信号中的直流偏移。

  2.5 音频数据接口模式

  支持可选的音频数据接口模式 (I^{2}S) 或左对齐模式，方便与不同的音频系统进行对接。

  2.6 封装

  采用14引脚SOIC封装，体积小巧，适合对空间要求较高的应用。

3. 引脚配置与描述

3.1 引脚配置

引脚编号	引脚名称	引脚类型	描述
1	DVDD	电源	数字正电源
2	SDATO	数字输出	ADC数字数据输出
3	BCLK	数字输入	ADC音频接口数据时钟（5V耐受）
4	FMT	数字输入（带下拉）	音频接口格式选择（5V耐受），‘0’ = (I^{2}S) ，‘1’ = 左对齐
5	CAP	模拟	参考去耦引脚
6	VREF	模拟输出	缓冲参考去耦引脚
7	RIN	模拟输入	右声道ADC输入
8	LIN	模拟输入	左声道ADC输入
9	AVDD	电源	模拟正电源
10	AGND	电源	模拟接地电源和芯片衬底
11	NOHP	数字输入（带下拉）	数字高通滤波器旁路；（5V耐受），‘0’ = 启用，‘1’ = 旁路
12	LRCLK	数字输入	数据左右字时钟（5V耐受）
13	MCLK	数字输入	主时钟输入（5V耐受）
14	DGND	电源	数字电源接地

3.2 注意事项

数字输入引脚具有施密特触发输入缓冲器，并且能耐受5V电压。

4. 绝对最大额定值与推荐工作条件

4.1 绝对最大额定值

绝对最大额定值仅为应力额定值，持续在或超过这些极限条件下运行可能会对器件造成永久性损坏。需要注意的是，该器件是ESD敏感设备，在处理和存储时必须采取适当的ESD预防措施。	条件	最小值	最大值
数字电源电压	-0.3V	+4.2V
模拟电源电压	-0.3V	+7.0V
数字输入电压范围	DGND - 0.3V	+7.0V
模拟输入电压范围	AGND - 0.3V	AVDD + 0.3V
主时钟频率		37MHz
工作温度范围 (T_{A})	-40°C	+85°C
焊接前存储温度	30°C 最大 / 85% 相对湿度最大
焊接后存储温度	-65°C	+150°C

4.2 推荐工作条件

参数	符号	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
数字电源范围	DVDD		3.0		3.6	V
模拟电源范围	AVDD		3.0		5.5	V
接地	DGND, AGND			0		V
模拟电源电流		AVDD = 5.0V, (DVDD at 3.3V)		30		mA
模拟电源电流		AVDD = 3.3V, (DVDD at 3.3V)		19		mA
电源电流低功耗模式		AVDD = 5.0V (DVDD at 3.3V)		180		μA
电源电流低功耗模式		AVDD = 3.3V (DVDD at 3.3V)		110		μA
数字电源电流		DVDD = 3.3V AVDD = 5.0V or 3.3V		4		mA

5. 电气特性

在特定的测试条件下（AVDD = 5.0V, AGND = 0V, DVDD = 3.3V, DGND = 0V, (T{A}= +25^{circ}C) , fs = 48kHz, MCLK = 256fs），WM8738表现出了良好的电气特性。例如，其输入低电平 (V{IL}) 最大为0.8V，输入高电平 (V{IH}) 最小为2.0V；输出低电平 (V{OL}) 在 (I{OL} = 1mA) 时最大为0.1 x DVDD，输出高电平 (V{OH}) 在 (I_{OH} = 1mA) 时最小为0.9 x DVDD。在音频性能方面，信噪比（SNR）在不同采样率和电源电压下都能达到90dB（A加权，0dB增益），动态范围（DNR）在A加权， - 60dB满量程输入时为85 - 97dB，总谐波失真（THD）在 - 1dB输入，0dB增益时为 - 87dB等。

6. 数字音频接口时序

6.1 主时钟时序

主时钟MCLK的脉冲宽度高 (T{MCLKH}) 最小为10ns，脉冲宽度低 (T{MCLKL}) 最小为10ns，周期时间 (T_{MCLKY}) 最大为27ns。

6.2 音频数据输入时序

BCLK周期时间 (t{BCY}) 典型值为80ns，脉冲宽度高 (t{BCH}) 典型值为40ns，脉冲宽度低 (t{BCL}) 典型值为40ns；LRCLK设置时间到BCLK上升沿 (t{LRSU}) 典型值为10ns，保持时间从BCLK上升沿 (t{LRH}) 典型值为10ns；SDATO从BCLK下降沿的传播延迟 (t{DD}) 典型值为10ns。

7. 内部上电复位电路

WM8738包含一个内部上电复位电路，用于在电源上电后将数字逻辑复位到默认状态。该电路会监测DVDD和CAP，如果DVDD或CAP低于最小阈值 (V{pax_off}) ，则将PORB置低。上电时，POR电路需要AVDD存在才能工作，PORB保持低电平直到AVDD、DVDD和CAP建立。当这些条件满足后，PORB释放为高电平，所有寄存器处于默认状态，此时可以对数字接口进行写入操作。在电源掉电时，只要DVDD或CAP下降到最小阈值 (P{par_ott}) 以下，PORB就会置低。在大多数应用中，设备释放PORB为高电平所需的时间由CAP节点的充电时间决定。

8. 设备详细描述

8.1 简介

WM8738专为音频录制设计，其特性、性能和低功耗使其非常适合可记录CD或DVD播放器、卡拉OK、MP3播放器和迷你光盘播放器等应用。板载立体声模数转换器（ADC）采用多位高阶过采样架构，在低功耗的情况下实现了最佳性能。ADC包含一个可选的数字高通滤波器，可去除音频信号中的不需要的直流分量。该设备支持256、384、512fs或768fs（fs为采样率）的系统时钟输入。

8.2 ADC

WM8738使用多位过采样sigma - delta ADC，多位反馈和高过采样率减少了抖动和高频噪声的影响。ADC满量程输入在AVDD = 5.0 volts时为1.0V rms，任何大于满量程的电压可能会使ADC过载并导致失真。ADC滤波器进行真正的24位信号处理，将ADC的原始多位过采样数据转换为正确的采样频率，以便在数字音频接口上输出。

8.3 ADC数字滤波器

ADC数字滤波器包含一个数字高通滤波器，可通过引脚NOHP进行选择。当NOHP = 0时，数字高通滤波器启用；当NOHP = 1时，数字高通滤波器旁路。高通滤波器的响应在数字滤波器特性中有详细描述，其操作可去除音频信号中存在的残留直流偏移。

8.4 音频数据采样率

在典型的数字音频系统中，通常只有一个中央时钟源产生参考时钟，所有音频数据处理都与之同步，这个时钟通常被称为音频系统的主时钟。外部主系统时钟可以直接通过MCLK输入引脚施加。建议使用抖动最小的时钟源来优化ADC的性能。WM8738的主时钟支持256fs到768fs的音频采样率，其中fs是音频采样频率LRCLK，通常为32kHz、44.1kHz、48kHz或96kHz。主时钟用于操作数字滤波器和噪声整形电路。WM8738有一个主时钟检测电路，可自动确定主时钟频率和采样率之间的关系（误差在 +/- 32个系统时钟内）。如果误差大于32个时钟，接口将被禁用，并保持输出电平为最后一个采样值。主时钟必须与LRCLK同步，不过WM8738对该时钟的相位变化或抖动具有一定的容忍度。

8.5 数字音频接口

WM8738有两种数据输出格式，可通过FMT引脚进行选择。当FMT = 0时，ADC音频数据输出为 (I^{2}S) 格式；当FMT = 1时，ADC音频数据输出为左对齐格式。两种模式都是MSB优先。数字音频接口从内部ADC数字滤波器获取数据，SDATO是ADC数字滤波器输出的格式化数字音频数据流，左右声道进行了复用。LRCLK是一个对齐时钟，控制SDATO线上是左声道还是右声道数据。SDATO和LRCLK与BCLK信号同步，每个数据位的转换由BCLK的低到高转换表示。

9. 数字滤波器特性

参数	符号	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
通带		±0.01dB	0		0.4535fs	dB
阻带		-6dB		0.5fs
通带纹波					±0.01	dB
阻带			0.5465fs
阻带衰减		f > 0.5465fs		-65		dB
群延迟				22		采样

10. 应用信息

10.1 推荐外部组件

在使用WM8738时，需要合理选择外部组件。例如，AGND和DGND应尽可能靠近WM8738连接，C2、C3、C9和C11应尽可能靠近WM8738放置，并且要仔细选择电容器类型，建议使用低ESR的电容器以获得最佳性能。

10.2 推荐外部组件值

组件	建议描述	参考值
C1和C4	DVDD和AVDD的去耦电容	10μF
C2和C3	DVDD和AVDD的去耦电容	0.1μF
C5和C7	模拟输入交流耦合电容	1μF
C6和C8	模拟输入滤波（RC）电容	4.7nF
R2和R3	限流电阻	10kΩ
R1和R4	模拟输入滤波（RC）电阻	680Ω
C9	VREF引脚的参考去耦电容	0.1μF
C10		10μF
C11	CAP引脚的参考去耦电容	0.1μF
C12		10μF

11. 封装尺寸

WM8738采用14引脚SOIC 3.9mm宽体封装，其具体尺寸在文档中有详细说明，这里就不一一列举了。需要注意的是，所有线性尺寸以毫米（英寸）为单位，该图纸可能会在不通知的情况下进行更改，并且主体尺寸不包括模具飞边或凸起，不超过0.25mm（0.010英寸），符合JEDEC.95 MS - 012标准。

12. 重要注意事项

Wolfson Microelectronics的产品和服务销售需遵循其销售、交付和付款的条款和条件。Wolfson保证其产品在发货时符合规格要求，但保留对产品和规格进行更改或停止任何产品或服务的权利，客户应从Wolfson获取最新版本的相关信息以确保信息的时效性。同时，该产品不适合用于生命支持系统、电器、核系统或可能因故障导致人身伤害、死亡或严重财产或环境损害的系统，客户使用该产品用于此类目的需自行承担风险。

总之，WM8738是一款功能强大、性能出色的立体声音频ADC，在消费音频领域有着广泛的应用前景。作为电子工程师，在设计相关音频系统时，需要充分考虑其各项特性和参数，合理选择外部组件，以确保系统的稳定性和高性能。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。