ADAU1978四通道模数转换器：汽车音频系统的理想之选

在电子工程领域，音频信号的数字化处理一直是一个重要的研究和应用方向。而模数转换器（ADC）作为音频信号从模拟到数字转换的关键器件，其性能的优劣直接影响着整个音频系统的质量。今天，我们就来深入了解一款性能出色的四通道模数转换器——ADAU1978。

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一、产品概述

ADAU1978集成了4个高性能模数转换器（ADC），其交流耦合输入具有2 V rms性能。这些ADC采用Σ - Δ架构，连续时间前端能够实现低EMI性能。它具有一个I2C/串行外设接口（SPI）控制端口，微控制器可利用该端口调整音量和许多其它参数。仅采用3.3 V单电源供电，器件内部可产生所需的数字DVDD电源，低功耗架构降低了器件的功耗，并且采用40引脚LFCSP封装。值得一提的是，该产品通过了汽车应用认证，非常适合汽车音频系统等对可靠性和性能要求较高的应用场景。

二、产品特性分析

（一）输入输出特性

• 四路差分输入：具备四路2 V rms差分输入，能满足多通道音频信号输入的需求，适用于立体声或多声道音频系统。
• 输出灵活：24位立体声ADC，支持8 kHz至192 kHz的采样速率，右对齐、左对齐、I2S和TDM模式，主机和从机工作模式，能适应不同系统的接口要求。

（二）电气性能

• 高动态范围和低失真：模数转换器（ADC）动态范围达109 dB，总谐波失真加噪声（THD + N）为 - 95 dB，可有效保证音频信号的还原度，减少失真。
• 低电磁干扰设计：采用低EMI设计，可减少对周围电子设备的干扰，同时也能提高自身在复杂电磁环境下的稳定性。

（三）功能特性

• 可选数字高通滤波器：可根据实际需求去除音频信号中的直流成分或低频噪声，提高音频信号的质量。
• 数字音量控制：支持数字音量控制，方便通过软件进行音量调节，增强了系统的灵活性。
• 软件可控功能：软件可控无杂音静音功能和软件关断功能，便于系统管理和节能。

（四）时钟和控制特性

• 片内PLL：利用片内锁相环（PLL）获得主时钟，可从外部时钟输入或帧时钟（采样速率时钟）获得主时钟，当使用帧时钟时，系统中无需使用独立的高频主时钟，简化了系统设计。
• I2C/SPI可控：I2C/SPI可控，可提高灵活性，方便与微控制器等主控设备进行通信和配置。

三、技术规格解读

（一）模拟性能规格

在模拟性能方面，满量程交流差分输入电压为2 V rms，满量程单端输入电压为1 V rms，输入共模电压为1.5 V dc。差分输入电阻为28.6 kΩ，单端输入电阻为14.3 kΩ。ADC分辨率为24 Bits，在输入为1 kHz， - 60 dBFS（0 dBFS = 2 V rms输入）时，动态范围（A加权）线路输入典型值为109 dB；在输入为1 kHz， - 1 dBFS（0 dBFS = 2 V rms输入）时，总谐波失真加噪声（THD + N）典型值为 - 95 dB。这些参数表明ADAU1978在模拟信号处理方面具有较高的精度和性能。

（二）数字输入/输出规格

数字输入高电压为2.0 V，数字输入低电压为0.8 V，输入电容最大值为5 pF。输出高电平输出电压（IoH = 1 mA）为IOVDD - 0.60 V，低电平输出电压（Iol = 1 mA）最大值为0.4 V。这些规格保证了其与数字电路的兼容性。

（三）电源规格

除非另有说明，AVDD = 3.3 V，DVDD = 1.8 V，IOVDD = 3.3 V，fs = 48 kHz（主模式）。DVDD由片内低压差（LDO）调节器产生，典型值为1.8 V，AVDDx范围为3.0 - 3.6 V，IOVDD范围为1.62 - 3.6 V。在不同工作模式和采样速率下，各电源的电流和功耗也有所不同，设计时需根据实际情况进行电源设计。

四、工作原理剖析

（一）电源和基准电压源

ADAU1978采用3.3 V单电源供电，模拟和升压转换器各有电源输入引脚，这些引脚需通过100 nF陶瓷芯片电容去耦到AGND，且电容应尽可能靠近引脚以降低噪声拾取。在ADC所在的PCB上，必须提供至少10 μF的铝电解电容。数字内核的电源电压（DVDD）利用内部低压差调节器产生，典型DVDD输出为1.8 V，需通过一个100 nF陶瓷电容和一个10 μF电容去耦。模拟模块的基准电压在内部产生，通过VREF引脚输出，AVDDx为3.3 V时，该引脚的典型电压为1.5 V。

（二）上电复位序列

器件要求在AVDDx引脚上从外部提供3.3 V单电源，内部产生DVDD（1.8 V）。复位期间，DVDD调节器禁用以降低功耗。当 $overline{PD} / overline{RST}$ 引脚变为高电平后，器件使能DVDD调节器。内部ADC和数字内核复位由内部 $POR$ 信号（上电复位）电路控制，它会监控DVDD电平。只有DVDD达到1.2 V且 $POR$ 信号释放后，器件才会离开复位状态。DVDD建立时间取决于外部电容的充电时间和AVDDx上升斜坡时间。

（三）PLL和时钟

内置模拟PLL以便为内部ADC提供无抖动的主时钟，PLL必须根据适当的输入时钟频率进行编程。通过PLL_CONTROL寄存器0x01设置PLL，寄存器0x01的CLK_S位用于设置PLL的时钟源，可以是MCLKIN引脚或LRCLK引脚（从模式）。在LRCLK模式下，PLL支持32 kHz到192 kHz的采样速率；在MCLK输入模式下，MCS位必须设置为MCLKIN引脚需要的输入时钟频率。

五、模拟输入与ADC功能

（一）模拟输入

ADAU1978具有4路差分模拟输入，支持交流耦合和直流耦合输入信号。在多数音频应用中，可通过耦合电容消除信号的直流成分。从各路输入到AGND的典型输入电阻约为14 kΩ。在48 kHz采样速率时，高通滤波器具有1.4 Hz、6 dB/倍频程的截止频率，该截止频率与采样速率呈比例变化。直流耦合应用必须确保共模直流电压不超过额定限值，满量程ADC输出（0 dBFS）所需的输入通常为2 V rms差分。

（二）ADC功能

4个Σ - Δ ADC通道配置为两个立体声对，具有可配置的差分/单端输入，以32 kHz到192 kHz的标称采样速率工作。包括片上数字抗混叠滤波器，具有79 dB阻带衰减和线性相位响应。数字输出通过两个串行数据输出引脚、一个通用帧时钟（LRCLK）和一个位时钟（BCLK）提供，也可使用TDM模式之一，单条TDM数据线最多支持16个通道。使用幅度较小的输入信号时，对各通道可提供10位可编程数字增益补偿，但要注意避免过度补偿。此外，ADC还有直流失调校准算法，可消除ADC的系统性直流失调。

（三）ADC求和模式

四个ADC可分组为单个立体声ADC或单个单声道ADC，以提高应用的信噪比（SNR）。有2通道求和模式和4通道求和模式两种选项。在2通道求和模式下，通道1和通道2 ADC数据合并，从SDATAOUT1引脚输出，通道3和通道4 ADC数据合并，从SDATAOUT2引脚输出，SNR提高3 dB；在4通道求和模式下，通道1至通道4 ADC数据合并，从SDATAOUT1引脚输出，SNR提高6 dB。

六、串行音频数据输出端口与控制端口

（一）串行音频数据输出端口

串行音频端口包括BCLK、LRCLK、SDATAOUT1和SDATAOUT2四个引脚，可作为主机或从机，设置为立体声模式（2通道模式）或TDM多通道模式，支持I2S、左对齐（LJ）和右对齐（RJ）等常见音频格式。

（二）控制端口

支持2线I2C模式或4线SPI模式，用于设置器件的内部寄存器。I2C和SPI模式均允许读写寄存器，全部寄存器均为8位宽，寄存器起始地址为0x00，结束地址为0x1A。默认情况下，ADAU1978工作在I2C模式，但通过将CLATCH引脚拉低三次，就可以将器件置于SPI模式。

七、寄存器详解

文档中详细介绍了各个寄存器的功能和位设置，包括主电源和软件复位寄存器、PLL控制寄存器、模块电源控制和串行端口控制寄存器等。例如主电源和软件复位寄存器（M_POWER）用于电源管理控制，可使能升压调节器、麦克风偏置、PLL、带隙基准电压源、ADC和LDO调节器等；PLL控制寄存器（PLL_CONTROL）用于设置PLL的相关参数，如时钟源、倍频系数等。了解这些寄存器的功能和使用方法，对于正确配置和使用ADAU1978至关重要。

八、典型应用与注意事项

（一）典型应用

ADAU1978适用于汽车音频系统、有源噪声消除系统等。在汽车音频系统中，其高性能的ADC可将模拟音频信号转换为高质量的数字信号，经过处理后通过音频功放输出到扬声器，为用户提供优质的音频体验。

（二）注意事项

• ESD防护：该器件是ESD（静电放电）敏感器件，尽管具有专利或专有保护电路，但在遇到高能量ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的ESD防范措施，如佩戴防静电手环、使用防静电工作台等。
• 电源设计：电源设计要严格按照规格要求进行，确保电源的稳定性和纯净度，避免电源噪声对器件性能产生影响。
• 时钟配置：PLL的配置要根据实际的采样速率和系统需求进行设置，确保时钟信号的稳定和准确。

综上所述，ADAU1978以其出色的性能、丰富的功能和灵活的配置，为电子工程师在音频信号处理领域提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师们需要深入了解其各项特性和技术规格，合理进行设计和配置，才能充分发挥该器件的优势，为音频系统带来更好的性能表现。大家在使用ADAU1978的过程中遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区留言分享。