8 通道 PDM 到 I2S/TDM 转换器 ADAU7118 技术解析

在当今的音频处理领域，对于高质量、多通道音频数据转换的需求日益增长。ADAU7118 作为一款专门的 8 通道 PDM 到 I2S/TDM 转换器，为音频系统设计提供了强大而灵活的解决方案。本文将对 ADAU7118 的特性、应用、工作原理等方面进行详细解析，希望能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：ADAU7118.pdf

一、特性亮点

1. 音频输入与处理

• 多通道输入：具备 8 通道的 PDM 音频输入，可连接数字麦克风，为多声道音频采集提供了可能。
• 灵活的抽取比：支持 16×、32× 或 64× 的 PDM 到 PCM 音频数据抽取比，能根据不同的应用场景灵活调整。
• 高分辨率：24 位分辨率可支持高声压级（SPL）麦克风，保证了音频数据的高精度。
• 出色的信噪比：拥有 126 dB 的 A 加权信噪比，有效降低噪声干扰，提升音频质量。
• 宽输出采样率：输出采样率范围为 4 kHz 到 192 kHz，满足多种音频应用的需求。

2. 时钟与电源管理

• 多样的时钟速率：位时钟速率为输出采样率的 64×、128×、192×、256×、384× 或 512×，提供了丰富的时钟配置选项。
• 自动时钟生成：具备自动 PDM 时钟生成功能，简化了系统设计。
• 自动掉电功能：当 BCLK 移除时，设备会自动进入掉电状态，降低功耗。
• 低功耗设计：在 48 kHz 频率采样率和 1.8 V 电源下，8 通道的 DVDD 工作电流仅为 1.2 mA，典型的 DVDD 关机电流小于 5 μA。

3. 接口与控制

• 双输出 PDM 时钟：提供双输出 PDM 时钟，方便驱动多个 PDM 源。
• 可选控制模式：支持可选择的 I2C 控制或硬件模式操作，增加了系统的灵活性。
• 丰富的输出接口：具备从 1.70 V 到 3.63 V 的 I/O 电源电压和从 1.10 V 到 1.98 V 的 DVDD 电源电压，支持 Slave I2S 或 TDM 输出接口，最高支持 TDM - 16，且可配置 TDM 时隙路由和大小。

二、应用领域

ADAU7118 的特性使其在多个领域都有广泛的应用：

• 麦克风阵列：可用于构建多麦克风阵列，实现语音识别、音频采集等功能。
• 移动计算：为移动设备提供高质量的音频输入和处理能力。
• 便携式电子设备：低功耗设计使其适合应用于便携式电子产品，延长电池续航时间。
• 消费电子：如智能音箱、耳机等设备，提升音频质量。
• 专业电子设备：在专业音频录制、处理等领域发挥重要作用。

三、工作原理

1. 音频转换

ADAU7118 能够将四个立体声脉冲密度调制（PDM）比特流转换为一个脉冲编码调制（PCM）输出流。输入源可以是八个麦克风或其他 PDM 源，PCM 音频数据通过串行音频接口端口以 I2S 或 TDM 格式输出。

2. 通道映射

内部有 8 个通道（Channel 0 到 Channel 7），PDM_DATx 输入引脚与内部通道的映射关系如下：	输入引脚	PDM_CLK 边沿	内部通道
PDM_DAT0	下降沿	0
PDM_DAT0	上升沿	1
PDM_DAT1	下降沿	2
PDM_DAT1	上升沿	3
PDM_DAT2	下降沿	4
PDM_DAT2	上升沿	5
PDM_DAT3	下降沿	6
PDM_DAT3	上升沿	7

每个与 PDM_DATx 引脚相关的内部通道对可以根据需要禁用，以节省功耗。

3. 时钟与同步

• 时钟要求：设备需要 BCLK 速率至少为帧同步（FSYNC）采样率的 64×，也支持 128×、192×、256×、384× 和 512× 的 FSYNC 速率。
• 自动检测与调整：ADAU7118 会自动检测 BCLK 和 FSYNC 之间的比率，并默认生成 64 × FSYNC 速率的 PDM 时钟输出。如果在寄存器 0x05 中选择了较低的抽取比，PDM 输出时钟速率将相应调整。
• 时钟恢复：当正常运行时，如果位时钟或帧同步信号被移除，PDM_CLKx 输出会立即停止，设备自动进入低功耗状态。当信号恢复时，设备会重新锁定到信号并调整 PDM_CLKx 输出，通常需要 4 帧 ± 1 帧来锁定输入信号。

4. 电源管理

• 上电与初始化：ADAU7118 需要 IOVDD 和 DVDD 两个电源，可同时供电，若不同时供电，需先提供 IOVDD，再提供 DVDD。电源稳定后，设备初始化并准备接受 I2S 时钟或 I2C 命令。初始化完成且施加 I2S 时钟后，需要 16 个完整的帧同步周期开始发送 PDM 时钟，再过 48 个帧同步周期，PDM 数据会出现在 SDATA 引脚上。
• 掉电模式：可以通过两种方法将设备置于掉电状态。一种是使用寄存器写入，另一种是在独立模式下使用使能引脚（EN）。从掉电模式恢复时，重启时钟和启用设备的顺序无关紧要。

四、引脚配置与功能

ADAU7118 的引脚配置和功能如下：	引脚编号	助记符	描述
1	PDM_CLK0	PDM 输出时钟 0
2	PDM_DAT0	PDM 输入数据 0
3	PDM_DAT1	PDM 输入数据 1
4	PDM_CLK1	PDM 输出时钟 1
5	PDM_DAT2	PDM 输入数据 2
6	PDM_DAT3	PDM 输入数据 3
7	SCL	I²C 串行时钟输入
8	SDA	I²C 数据
9	FSYNC	I²S/TDM 帧同步或左右时钟
10	BCLK	I²S/TDM 位时钟
11	SDATA	I²S/TDM 串行数据输出
12	ADDR/CONFIG	I²C 地址或独立配置选择
13	EN	芯片使能
14	DVDD	内部核心数字电源
15	GND	接地
16	IOVDD	数字输入/输出电源
EP	EPAD	暴露焊盘，必须接地

五、性能指标

1. 电气特性

• 输入输出电压：数字输入高电平（VIH）为 0.7 × IOVDD，低电平（VIL）为 0.3 × IOVDD；输出高电平（VOH）为 0.85 × IOVDD，低电平（VOL）为 0.1 × IOVDD。
• 输入泄漏电流：高电平（IIH）最大为 2.5 μA，低电平（IIL）在 0 V 时最大为 1 μA。
• 输入电容：输入电容（CI）典型值为 2 pF。
• 输出驱动能力：提供 2.5 mA、5 mA、10 mA 和 15 mA 等不同的驱动强度设置。

2. 音频性能

• 动态范围：在 20 Hz 到 20 kHz 范围内，输入 - 60 dB，A 加权滤波器（rms）下，动态范围为 126 dB。
• 信噪比（SNR）：A 加权滤波器，五阶输入，相对于 0 dBFS 输出，信噪比为 126 dB。
• 抽取比：抽取比范围为 16× 到 64×。
• 频率响应：在直流到 0.45 × 输出采样率（fS）的范围内，频率响应阻带为 - 0.1 到 + 0.01 dB，阻带衰减为 75 dB。
• 群延迟：不同抽取比下，群延迟有所不同，例如在 0.02 fS 输入信号下，64× 抽取时群延迟为 4.47 FSYNC 周期，32× 抽取时为 5.02 FSYNC 周期，16× 抽取时为 5.83 FSYNC 周期。

3. 时钟与电源

• 输出采样率：输出采样率（fS）范围为 4 kHz 到 192 kHz。
• 位时钟频率：位时钟频率（fBCLK）范围为 0.256 MHz 到 24.576 MHz，PDM_CLKx 频率范围为 0.256 MHz 到 6.144 MHz。
• 电源电压：数字电压（DVDD 引脚）范围为 1.10 V 到 1.98 V，I/O 电源电压（IOVDD 引脚）范围为 1.70 V 到 3.63 V。
• 电源电流：不同工作状态下，电源电流有所不同，例如在 IOVDD = 3.3 V，48 kHz fS，TDM - 8 格式，所有通道驱动，默认驱动强度，25 pF 电容，仅使用一个 PDM_CLKx 引脚时，I/O 电流为 2 mA；在 DVDD = 1.8 V，8 通道，48 kHz fS 时，数字电流为 1.2 mA。

六、注意事项

1. 绝对最大额定值

• 电压限制：DVDD 到地的最大电压为 1.98 V，IOVDD 到地的最大电压为 3.63 V，数字输入电压范围为 GND - 0.3 V 到 IOVDD + 0.3 V。
• 温度范围：最大工作环境温度范围为 - 40°C 到 + 85°C，结温范围为 - 65°C 到 + 165°C，存储温度范围为 - 65°C 到 + 150°C，焊接温度（60 秒）为 300°C。
• 静电放电（ESD）：静电放电敏感度为 4.5 kV，使用时需采取适当的 ESD 预防措施。

2. 热阻

热性能与印刷电路板（PCB）设计和工作环境直接相关，需要仔细关注 PCB 热设计。

七、总结

ADAU7118 是一款功能强大、性能出色的 8 通道 PDM 到 I2S/TDM 转换器，具有丰富的特性和灵活的配置选项，适用于多种音频应用场景。在设计音频系统时，电子工程师们可以根据具体需求合理利用其特性，实现高质量的音频采集和处理。同时，在使用过程中要注意其绝对最大额定值和热阻等因素，确保设备的正常运行和可靠性。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。