PCM1718E立体声音频数模转换器：技术剖析与应用指南

在音频处理领域，数模转换器（DAC）扮演着至关重要的角色。PCM1718E作为一款性能卓越的立体声音频数模转换器，以其低成本、高性能和多功能等特点，在消费类音频应用中得到了广泛的应用。本文将对PCM1718E进行详细的技术剖析，并探讨其在实际应用中的注意事项。

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一、PCM1718E的特性

1. 输入兼容性

PCM1718E能够接受16位或18位I2S数据格式，以及18位普通输入数据格式，为不同的数据来源提供了灵活的接口选择。

2. 完整的立体声DAC架构

该芯片集成了8倍过采样数字滤波器、多级Delta - Sigma DAC、模拟低通滤波器和输出放大器，形成了一个完整的立体声DAC解决方案。

3. 高性能表现

具有 - 90dB的总谐波失真加噪声（THD + N）、96dB的动态范围和100dB的信噪比（SNR），能够提供高质量的音频输出。

4. 灵活的系统时钟

系统时钟支持256fs或384fs，其中fs为音频采样频率，可根据实际应用需求进行选择。

5. 宽电源电压范围

电源电压范围为 + 2.7V至 + 5.5V，适应不同的电源环境。

6. 可选择功能

具备软静音、数字去加重等可选择功能，方便用户根据具体应用进行灵活配置。

7. 小型封装

采用20引脚SSOP封装，体积小巧，适合对空间要求较高的应用。

二、技术规格详解

1. 分辨率

分辨率为16 - 18位，能够满足大多数音频应用的需求。

2. 数字输入/输出

• 逻辑电平：不同引脚的输入逻辑电平有明确的规定，如VIH（2）为VDD的70%，VIL（2）为VDD的30%等。
• 输入逻辑电流：不同引脚的输入逻辑电流也有相应的要求，如IIH（5）为 - 6.0µA等。
• 输出逻辑电平：在特定条件下，输出逻辑电平也有明确的数值，如VOH（7）在IOH = - 5mA时为3.8V，VOL（7）在IOL = + 5mA时为1.0V。

3. 采样频率和系统时钟频率

采样频率范围为32kHz - 48kHz，系统时钟频率为256fs/384fs，对应的频率范围分别为8.192/12.288MHz - 12.288/18.432MHz。

4. 直流精度

• 增益误差：±1.0% - ±5.0%的满量程范围（FSR）。
• 增益失配：通道间增益失配为±1.0% - ±5.0%的FSR。
• 双极性零误差：在双极性零状态下，输出电压为VCC的1/2，误差为±30mV。

5. 动态性能

在不同电源电压和频率条件下，THD + N、动态范围和信噪比等指标表现良好。例如，在VCC = + 5V，f = 991Hz时，THD + N在满量程（0dB）时为 - 90dB，动态范围为96dB，信噪比为100dB。

6. 数字滤波器性能

• 通带纹波：±0.17dB。
• 阻带衰减：在不同采样频率下有相应的要求。
• 去加重误差：在不同采样频率下有特定的数值。
• 延迟时间：由公式TD = 11.125 × 1/fs计算得出，例如在fs = 44.1kHz时，TD = 251.4µs。

7. 模拟输出

• 电压范围：输出电压范围为VCC的62%峰 - 峰值。
• 负载阻抗：负载阻抗为5kΩ。
• 中心电压：中心电压为VCC的50%。

8. 电源要求

• 电源电压：+ 2.7V - + 5.5V。
• 电源电流：在不同电源电压下有相应的数值，如在 + VCC = + VDD = + 5V时，电源电流为18.0mA，功耗为90mW。

9. 温度范围

• 工作温度： - 25°C - + 85°C。
• 存储温度： - 55°C - + 100°C。

三、引脚配置与功能

1. 数据输入接口引脚

• LRCIN（引脚4）：采样率时钟输入，控制更新速率（fs）。
• DIN（引脚5）：串行数据输入，支持MSB优先、右对齐（索尼格式，18位）或I2S（飞利浦格式，16或18位）。
• BCKIN（引脚6）：位时钟输入，用于时钟同步输入数据。

2. 模式控制和时钟信号引脚

• XTI（引脚1）：振荡器输入（外部时钟输入），可连接内部晶体振荡器或外部时钟。
• FORMAT（引脚14）：选择输入数据格式，高电平选择I2S格式，低电平选择普通（索尼）格式。
• DM0（引脚16）和DM1（引脚17）：去加重选择。
• MUTE（引脚18）：软静音控制，低电平时输出静音。
• CLKO（引脚19）：振荡器的缓冲输出，等同于XTI。
• XTO（引脚20）：振荡器输出，使用内部时钟时连接晶体振荡器的另一侧，使用外部时钟时悬空。

3. 操作控制和标志引脚

• ZERO（引脚7）：无限零检测标志，开漏输出，当输入连续65,536个BCKIN周期为零时，ZERO为低电平。
• RSTB（引脚15）：复位DAC操作，低电平脉冲有效。

4. 模拟输出引脚

• D/C_R（引脚8）：右声道输出放大器公共端，需用10µF电容旁路到地。
• VOUT_R（引脚9）：右声道模拟输出，最大输出电压为0.62 × VCC。
• VOUT_L（引脚12）：左声道模拟输出，最大输出电压为0.62 × VCC。
• D/C_L（引脚13）：左声道输出放大器公共端，需用10µF电容旁路到地。

5. 电源连接引脚

• DGND（引脚2）：数字地。
• VDD（引脚3）：数字电源（+ 5V或 + 3V）。
• AGND（引脚10）：模拟地。
• VCC（引脚11）：模拟电源（+ 5V或 + 3V）。

四、系统时钟与数据接口

1. 系统时钟

系统时钟必须为256fs或384fs，可由晶体振荡器或外部时钟提供。芯片具有系统时钟检测电路，能自动识别时钟频率，并与LRCIN时钟同步。若时钟不同步，芯片可内部补偿相位差，但当相位差大于6个BCKIN时钟时，模拟输出将被强制为双极性零的直流电平，同步过程通常在小于1个LRCIN周期内完成。

2. 数据接口格式

支持普通和I2S两种数据格式。普通数据格式为MSB优先、二进制补码、右对齐；I2S数据格式与飞利浦串行数据协议兼容。

五、功能控制

1. 数据输入格式选择

通过FORMAT引脚（引脚14）控制，高电平选择I2S格式，低电平选择普通格式。

2. 软静音控制

MUTE引脚（引脚18）低电平时，输出静音，且在数字域进行静音操作，避免了可听的“咔哒”声。

3. 去加重选择

通过DM0（引脚16）和DM1（引脚17）的不同组合选择不同的去加重模式，包括关闭、48kHz、44.1kHz和32kHz。

4. 复位操作

芯片具有内部上电复位电路和RSTB引脚（引脚15）外部强制复位功能。内部上电复位在VDD > 2.2V（典型值）时自动初始化，复位期间DAC输出无效，模拟输出被强制为VCC / 2。RSTB引脚低电平时，DAC输出无效，在RSTB变为高电平后1024个系统时钟计数后，模拟输出被强制为VCC / 2。

六、电源连接与旁路

1. 电源连接

PCM1718E有数字（VDD）和模拟（VCC）两个电源连接，且各有独立的地。为避免闩锁现象，建议数字和模拟电源采用公共连接；若使用独立电源，上电期间两者的差值必须小于0.6V。

2. 电源旁路

电源应尽可能靠近芯片进行旁路，可参考典型连接图选择合适的旁路电容值。

七、工作原理

PCM1718E的Delta - Sigma部分基于5电平幅度量化器和3阶噪声整形器，将过采样输入数据转换为5电平Delta - Sigma格式。与典型的1位（2电平）Delta - Sigma调制器相比，5电平Delta - Sigma调制器具有更好的稳定性和时钟抖动灵敏度。

八、应用注意事项

1. 延迟时间

Delta - Sigma转换器存在有限的延迟时间，PCM1718E的延迟时间由FIR滤波器阶数和采样率决定，计算公式为TD = 11.125 × 1/fs。对于光盘或磁带源数据的应用，延迟时间通常不会产生影响；但对于广播音频等专业应用，总延迟时间应小于2ms。

2. 输出滤波

为了准确测量THD + N等动态指标，测试时需使用20kHz低通滤波器。若不使用该滤波器，测量结果会出现较高的THD + N和较低的SNR及动态范围。对于驱动宽带放大器的应用，建议使用外部低通滤波器，如3阶滤波器；对于一些应用，无源RC滤波器或2阶滤波器可能也足够。

3. 测试条件

生产测试时使用11阶滤波器去除噪声，但在大多数实际应用中，3阶滤波器即可满足要求。在正常条件下，使用30kHz低通滤波器时THD + N典型性能为 - 70dB，使用外部20kHz 11阶滤波器时可提高到 - 89dB。对于成本敏感的应用，单个RC滤波器可能足够。

4. 带外噪声考虑

Delta - Sigma DAC对主时钟的抖动非常敏感，时钟的相位噪声会导致噪声增加，降低动态范围。多电平Delta - Sigma DAC由于具有多个输出状态，理论上提高了SNR，降低了对抖动的灵敏度。

九、评估夹具与封装信息

1. 评估夹具

DEM - PCM1718评估夹具主要用于快速评估PCM1718的性能，可接受外部时钟或用户安装的晶体振荡器，所有功能可通过板载开关控制，不包含接收器芯片和外部低通滤波器，需要 + 2.7V - + 5V的单电源供电。

2. 封装信息

PCM1718E采用20引脚SSOP封装，相关封装信息包括包装类型、引脚数量、包装数量、尺寸等，同时还提供了环保计划、引脚镀层/球材料、MSL峰值温度等信息。

PCM1718E以其丰富的功能和优异的性能，为音频应用提供了一个可靠的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择参数和配置，注意电源连接、滤波等问题，以充分发挥其性能优势。你在使用PCM1718E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。