探索PCM1750：高性能音频A/D转换器的卓越之选

在音频处理领域，模拟信号到数字信号的转换是一个关键环节，直接影响着音频质量和系统性能。PCM1750作为一款双18位CMOS音频A/D转换器，以其出色的性能和特性，成为众多电子工程师在音频设计中的理想选择。今天，我们就来深入了解一下PCM1750的相关特性、工作原理和应用要点。

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特性亮点

高性能转换

PCM1750是一款双18位低功耗CMOS音频A/D转换器，具备快速的4.5µs最小转换时间（含采样/保持），能够高效地将模拟音频信号转换为数字信号。其极低的最大总谐波失真加噪声（THD+N）达到 -88dB（无需外部调整），在音频转换中能提供高保真的音质。

集成功能

该转换器集成了内部参考和双采样/保持功能，为设计带来了便利。它支持两相采样，±2.75V的音频输入范围，能够适应多种音频信号源。此外，它还具备每通道4倍过采样率的能力，运行在±5V电源下，最大功耗仅为300mW，采用紧凑的28引脚塑料DIP或SOIC封装，节省了电路板空间。

电气规格解析

分辨率与动态范围

PCM1750的理论分辨率为18位，最大可能的输出代码或计数为262,144（即108dB）。动态范围通常定义为在有效输入信号电平为 -60dB（相对于0dB）时的THD+N测量值，对于PCM1750，该值典型为90dB，最小值为88dB（音频带宽为20Hz至24kHz，THD+N在 -60dB时典型为 -30dB，最大为 -28dB；输入频率 (f{IN}=1kHz) ，采样率 (f{S}=192kHz) ）。

模拟输入参数

模拟输入范围为双极性±2.75V（标称值），输入电容为20pF，孔径延迟典型为10ns，孔径不确定性（抖动）为50ps rms。全功率输入带宽典型为500kHz，在宽带操作中，可利用其额外的带宽进行欠采样，将带限信号直接下变频到转换器的基带。

数字输入/输出

数字逻辑与CMOS兼容，数字输出能够驱动至少两个标准TTL输入负载。输出数据格式为二进制补码，转换命令在其上升沿触发转换，典型的转换命令脉冲宽度为81ns（采样率为192kHz时）。外部时钟输入为正边沿触发，不依赖占空比，所有与有效数据时钟相关的操作应同步到时钟输入的上升沿。

精度与漂移

增益误差典型为±2%，最大为±5%；增益失配典型为±0.5%，最大为±2.0%。双极性零（BPZ）误差典型为±2mV，BPZ误差失配典型为±3mV。增益和双极性零的漂移在0°C至70°C范围内分别为±50ppm/°C和±10ppm/°C（相对于满量程范围）。

参考电压

内部参考电压输出为+2.75V，电流为±100µA，阻抗为0.2Ω，精度为±25mV，在0°C至70°C范围内的漂移为±50ppm/°C。

工作原理剖析

整体架构

PCM1750采用3µ P阱CMOS工艺制造，包含多晶硅 - 多晶硅电容器、激光可微调的镍铬电阻器和两层互连金属。双转换器采用开关电容架构，为每个输入通道提供独立的采样/保持功能，实现同相采样，消除了因不同时采样两个输入通道而产生的相位误差。

采样模式

每次转换后，双ADC返回采样模式以跟踪输入信号。在采样期间，开关处于特定状态，C1采样并存储输入信号 (V_{IN}) ，同时作为电容数字 - 模拟转换器（CDAC）的最高有效位（MSB）。通过自动归零周期消除比较器的1/f噪声和直流输入失调电压，这些误差存储在增益级之间的交流耦合电容器上。

逐次逼近转换过程

转换过程由转换命令和外部时钟控制，在转换命令的上升沿，开关动作终止比较器自动归零周期，将两个转换器从跟踪模式切换到保持模式，捕获 (V_{IN}) 的瞬时值。19位移位寄存器控制双ADC的位测试，从MSB开始逐位进行，直到LSB，根据比较器的反馈决定保留或拒绝每个位，使比较器输入接近零电位。

差分线性校准

由于多晶硅电容器的未修剪比率匹配约为0.1%，为了实现16位级小于1/2 LSB的差分线性误差（DLE），需要对高位进行一次性工厂校准。由于其出色的温度稳定性，在温度极端情况下无需重新校准。

TDAC操作

TDAC（微调DAC）在晶圆级进行激光微调，以位1为例，开关S1T在两个电压电平之间操作，通过电容器C1T将电压差耦合到比较器的负输入，为位1生成校正电压。CDAC和TDAC的开关同时操作，确保校正电压与位决策一致。

应用要点与注意事项

输入抗混叠滤波器

通过以2倍或4倍过采样率操作，可放宽输入抗混叠滤波器的滚降要求。例如，1倍系统通常使用9至11极低通滤波器（LPF），而4倍系统在与适当的数字滤波器（如DF1750）配合使用时，可使用6阶（或更小）滤波器。

时钟与转换命令

转换命令的脉冲宽度和时钟输入的上升沿时间对转换过程至关重要。快速逻辑边沿可能导致逻辑馈通到模拟级，增加采样和转换过程中的失真。使用可选的DF1750数字滤波器可提供足够慢的过渡，以保持完整的规格性能。

孔径延迟与不确定性

孔径延迟和不确定性会影响转换器的整体精度，特别是在最大输入频率时。对于PCM1750，典型的孔径抖动为50ps rms，当输入信号超过97kHz和/或需要大于15位的信噪比时，孔径抖动才会成为影响因素。

PCM1750以其高性能、集成功能和灵活的工作模式，为音频设计提供了可靠的解决方案。电子工程师在设计过程中，应充分了解其特性和工作原理，合理选择输入抗混叠滤波器、时钟和转换命令参数，以确保系统的最佳性能。你在使用PCM1750或其他音频A/D转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。