WM8953：低功耗立体声ADC的卓越之选

在当今的电子设备中，音频处理的重要性日益凸显。对于移动手机和其他便携式设备而言，一款高性能、低功耗的音频ADC（模拟 - 数字转换器）是实现优质音频录制的关键。Wolfson Microelectronics的WM8953就是这样一款令人瞩目的产品，下面我们就来深入了解一下它。

文件下载：WM8953ECS/RV.pdf

一、产品概述

WM8953是一款专为移动手机和其他便携式设备设计的低功耗、高性能立体声ADC。它具有丰富的特性和灵活的接口，能够满足各种音频应用的需求。

1. 高性能音频处理

• 高分辨率与音质：采用24位立体声sigma - delta ADC，可提供Hi - Fi级别的音频录制质量，无论是麦克风输入还是线路输入，都能精准捕捉声音细节。
• 高信噪比与低失真：信噪比（SNR）可达94dB（‘A’加权），总谐波失真（THD）在48kHz、3.3V条件下低至 - 82dB，确保了纯净的音频输出。

2. 灵活的输入接口

提供四个单端或差分输入连接，每个输入路径具有高达60dB的模拟增益，可适应不同类型的音频源，如麦克风和线路输入。

3. 强大的滤波功能

ADC路径中配备可编程高通滤波器，可有效去除DC偏移，抑制风噪和其他低频噪声，提升音频质量。

4. 低噪声麦克风偏置

集成低噪声麦克风偏置，具有可编程电流检测和短路检测功能，为麦克风提供稳定的工作环境。

5. 灵活的数字音频接口

支持大多数常用的时钟方案，音频接口支持TDM（时分复用），三态输出允许多个设备共享同一接口，节省了系统资源。

6. 集成低功耗PLL

集成低功耗PLL，支持大多数常用的音频采样率，为系统提供灵活的时钟方案。

7. 小巧封装

采用非常小且薄的42球WCSP封装，非常适合便携式系统的设计需求。

二、关键特性详解

1. 电气特性

• 输入信号范围：模拟输入引脚的最大信号电平与AVDD成比例变化，单端或差分输入的最大满量程信号在不同条件下有明确规定，使用时需注意总信号不超过1Vrms（0dBV）。
• 输入阻抗：不同增益设置下，输入PGA（可编程增益放大器）的输入电阻会发生变化，如LIN1、LIN3、RIN1或RIN3在不同增益下电阻不同，而LIN2、LIN4、RIN2或RIN4的输入电阻相对稳定。
• PGA特性：输入PGA的可编程增益范围为 - 16.5dB至 + 30dB，增益步长为1.5dB，具有静音衰减功能，在差分模式下有一定的共模抑制比。
• ADC性能：ADC输入路径的SNR、THD、THD + N等指标表现出色，不同输入方式和电源电压下性能有所差异，如线路输入到ADC via INMIXL和INMIXR时，在AVDD = 3.3V和2.7V时的性能不同。

2. 时钟与采样率

• 时钟源：内部时钟SYSCLK可直接从MCLK引脚获取，也可通过集成PLL生成，为ADC、DSP核心和数字音频接口提供时钟。
• 采样率选择：支持多种采样率，如8kHz、11.025kHz、12kHz、16kHz、22.05kHz、24kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz等，可通过设置ADC_CLKDIV和AIF_LRCLKRATE来选择合适的采样率。
• PLL配置：PLL可根据不同的MCLK参考频率生成SYSCLK，通过设置PLLN和PLLK来确定PLL频率比，同时可选择整数模式或分数模式，以满足不同的性能和功耗需求。

3. 数字音频接口

• 数据格式：支持左对齐、右对齐、I2S和DSP模式四种音频数据格式，且均为MSB（最高有效位）优先。
• 主从模式：可作为主设备或从设备工作，通过AIF_MSTR寄存器位进行选择，在不同模式下，时钟信号BCLK和ADCLRC的输入输出方式不同。
• TDM模式：支持TDM模式，允许多个设备在同一总线上同时传输数据，通过AIFADC_TDM和AIFADC_TDM_CHAN寄存器位进行配置。

4. 控制接口

• 控制模式：支持2线、3线或4线控制接口，通过MODE引脚选择控制模式。
• 读写操作：可进行单写、单读、多写和多读操作，不同控制模式下的操作方式和时序有所不同。

5. 电源管理

• 电源域：具有独立的数字电源（DCVDD、DBVDD）和模拟电源（AVDD），使用时需注意电源电压范围和相互关系，如DCVDD必须小于或等于AVDD和DBVDD。
• 功能控制：通过控制寄存器可选择哪些功能处于活动状态，为了实现最低功耗，应禁用未使用的功能，同时要注意按正确顺序启用或禁用功能，以减少噪声。

6. GPIO功能

• 多功能引脚：提供五个多功能引脚（GPIO3、GPIO4、GPIO5、LIN3/GPI7和RIN3/GPI8），支持按钮检测、MICBIAS/附件电流或短路检测、时钟输出、温度传感器输出、PLL锁定输出、逻辑‘1’和逻辑‘0’输出、中断事件输出和串行数据输出等功能。
• 配置与控制：通过一系列寄存器设置来配置GPIO引脚的功能，包括上拉/下拉电阻、去抖、中断使能等，同时要注意各功能的优先级顺序。

三、应用建议

1. 外部组件选择

• 电源去耦：DCVDD、DBVDD和AVDD的电源去耦电容应尽可能靠近WM8953放置，选择低ESR的电容以获得最佳性能。
• MICBIAS电阻：每个MIC输入的2k2 MICBIAS电阻是典型值，实际应用中应参考单个麦克风的规格来确定最终值。
• 接地设计：建议使用单一的公共接地参考，若无法实现，需优化分割接地配置以提高音频性能。

2. 时钟配置

在启用播放之前，必须设置好所有时钟配置，以避免出现毛刺。同时，注意不同时钟源和采样率之间的匹配关系，确保系统稳定运行。

3. 功能启用顺序

在启用或禁用功能时，要按照正确的顺序进行操作，以减少“噗噗”声或咔哒声等噪声。例如，在启用ADC时，若需要同时启用两个ADC，应同时进行操作；若需要独立启用并同时使用，需设置ADCL_ADCR_LINK位。

四、总结

WM8953凭借其高性能、低功耗、灵活的接口和丰富的功能，成为移动手机和其他便携式设备音频处理的理想选择。电子工程师在设计音频系统时，可以充分利用WM8953的特性，实现优质的音频录制和处理。同时，在实际应用中要注意外部组件的选择、时钟配置和功能启用顺序等方面的问题，以确保系统的稳定性和性能。你在使用WM8953的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。