高性能立体声音频ADC：AD1871的技术解析与应用指南

引言

在音频技术不断发展的今天，高性能的模数转换器（ADC）对于实现高质量的音频处理至关重要。AD1871作为一款24位、96kHz的立体声音频ADC，以其卓越的性能和丰富的功能，在专业音频、多媒体等领域得到了广泛应用。本文将深入解析AD1871的技术特点、性能指标、功能原理以及应用场景，为电子工程师们在音频设计中提供有价值的参考。

文件下载：AD1871YRSZ.pdf

一、AD1871的关键特性

1.1 电源与接口兼容性

AD1871采用5.0V立体声音频ADC，其数字接口具有3.3V的容差能力，这使得它在不同电源环境下都能稳定工作，提高了系统设计的灵活性。

1.2 采样率与字长支持

支持96kHz的采样率，能够满足高分辨率音频的需求。同时，它支持16位、20位和24位的字长，可根据不同的应用场景进行灵活选择。

1.3 低噪声与高动态范围

采用多比特Σ - Δ调制器，具备“完美差分线性恢复”技术，有效降低了空闲音和本底噪声。其动态范围典型值可达105dB，为音频信号的高质量转换提供了保障。

1.4 灵活的时钟与接口模式

支持256/512和768倍采样频率的主时钟，可适应不同的时钟源。其串行数据端口支持右对齐、左对齐、I2S兼容和DSP串行端口模式，方便与各种数字信号处理器（DSP）连接。

1.5 级联与控制功能

支持最多四个设备的级联，可通过单个DSP的SPORT实现多通道音频采集。同时，可通过SPI兼容的串行端口或可选的控制引脚进行设备控制，操作方便。

1.6 片上参考与封装形式

片上集成参考电压，减少了外部元件的使用，提高了系统的稳定性。采用28引脚的SSOP封装，体积小巧，便于PCB布局。

二、性能指标详解

2.1 模拟性能

• 分辨率与动态范围：在差分输入模式下，分辨率可达24位，动态范围在不同输入条件下表现出色。例如，在输入为 - 0.5dBFS时，A加权动态范围可达106dB。
• 信噪比与总谐波失真+噪声（THD+N）：在不同输入电平下，信噪比和THD+N指标都能满足高质量音频的要求。如在输入为 - 20dBFS时，THD+N可达 - 104dB。
• 输入特性：差分输入范围为 ± 2.828V，输入阻抗在不同模式下有明确的数值，且通道间增益失配较小，增益漂移低。

2.2 数字滤波器特性

• 低通滤波器：在不同采样率下，低通滤波器具有不同的参数。例如，在48kHz采样率时，通带频率为21.77kHz，阻带频率为26.23kHz，通带纹波为 ± 0.01dB，阻带衰减可达120dB。
• 高通滤波器：可有效去除直流信号，在48kHz采样率时，截止频率为2Hz；在96kHz采样率时，截止频率为4Hz。

2.3 时钟与接口时序

• 主时钟与复位时序：主时钟（MCLK）的高、低电平宽度要求为20ns，复位信号的低脉冲宽度也为20ns。
• 数据接口时序：在不同工作模式（独立模式、级联模式等）下，数据接口的时序参数有明确规定，如BCLK延迟、LRCLK延迟等，确保数据的准确传输。
• 控制接口时序：SPI控制接口的时钟、数据设置和保持时间等参数都有严格要求，以保证设备的正常控制。

三、功能原理剖析

3.1 时钟方案

MCLK引脚输入主时钟频率，通过MCLK分频器可将其分频为合适的内部主时钟频率（IMCLK），IMCLK必须为256倍采样频率。分频选项有直通（/1）、/2或/3，可通过控制寄存器III的MCD1 - MCD0位进行选择。

3.2 调制器

采用二阶多比特实现方式，利用ADI公司的专有技术，优化了在6.144MHz采样率下的性能。调制器时钟（MODCLK）可通过控制寄存器I的AMC位进行选择，有/2和/4两种分频选项。

3.3 数字抽取滤波器

由嵌入式DSP引擎实现，首先进行sinc滤波，其抽取因子可根据AMC位进行选择。之后经过两个半带FIR滤波器和sinc补偿阶段，进一步降低采样率。

3.4 高通滤波器

通过设置控制寄存器I的HPE位可启用高通滤波器，有效去除输出数据中的直流信号。

3.5 ADC编码

ADC输出数据采用二进制补码编码格式，字长可选择16位、20位或24位。

3.6 模拟输入部分

由差分可编程增益放大器（PGA）组成，可配置为单端输入。PGA有五个增益设置，范围从0dB到12dB，以3dB为步长。

3.7 串行数据接口

由LRCLK、BCLK和SDATA三个引脚组成，支持I2S、左对齐、右对齐和DSP等多种接口模式。数据采样宽度可通过控制寄存器II的WW1 - WW0位进行选择。

四、控制与状态寄存器

AD1871通过三个10位的控制寄存器进行操作模式设置，可通过SPI兼容端口进行编程。同时，还有两个只读的峰值读取寄存器，可跟踪左右声道的峰值读数。

4.1 控制寄存器I

控制模拟前端增益、调制器时钟选择、电源管理、高通滤波和峰值保持等功能。

4.2 控制寄存器II

控制左右声道静音、数据采样字宽、数据接口格式和调制器模式等。

4.3 控制寄存器III

配置模拟输入部分，包括多路复用器使能、选择和单端模式等。

五、应用场景与接口设计

5.1 应用场景

AD1871适用于专业音频、混音台、乐器、数字音频记录器（如CD - R、MD、DVD - R等）、家庭影院系统、汽车音频系统和多媒体等领域。

5.2 接口设计

• 模拟接口：可选择直接将差分输入连接到ADC的Σ - Δ调制器，也可通过片上PGA进行单端或差分输入。在选择输入拓扑时，要注意输入电容的选择，推荐使用高质量的电介质电容。
• 数字接口：根据不同的接口模式（I2S、左对齐、右对齐等）进行连接，确保数据的准确传输。在级联模式下，最多可连接四个设备，实现多通道音频采集。

六、布局考虑

为了使AD1871达到最佳性能，在PCB布局时需要注意以下几点：

• 电源与接地：模拟和数字电源独立，分别连接AGND和DGND。数字和模拟地平面应在一处连接，可使用短电阻或铁氧体磁珠。
• 信号隔离：避免数字线路在器件下方布线，防止噪声耦合。时钟信号应进行屏蔽，避免辐射噪声。
• 去耦电容：所有模拟和数字电源都应使用0.1μF陶瓷电容和10μF钽电容进行去耦，且电容应尽量靠近器件放置。

七、总结

AD1871作为一款高性能的立体声音频ADC，以其丰富的功能、卓越的性能和灵活的接口设计，为音频处理系统提供了可靠的解决方案。电子工程师们在设计音频系统时，可根据具体需求合理选择AD1871，并注意其布局和接口设计，以实现高质量的音频采集和处理。

以上就是关于AD1871的详细解析，希望对电子工程师们在音频设计中有所帮助。你在实际应用中是否遇到过类似ADC的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。