探索PCM1750：高性能18位音频ADC的技术剖析

在音频处理领域，模拟到数字的转换是至关重要的环节。PCM1750作为一款低功耗、高性能的双18位CMOS音频模数转换器，为音频应用带来了卓越的性能和设计灵活性。本文将深入剖析PCM1750的特性、工作原理、技术规格以及实际应用中的注意事项。

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一、产品特性亮点

高性能转换能力

PCM1750具备双18位低功耗CMOS音频A/D转换功能，转换时间快至4.5µs（含采样保持）。在无需外部调整的情况下，其总谐波失真加噪声（THD + N）极低，可达 - 88dB，能有效还原音频信号的纯净度。

集成功能完善

芯片内部集成了参考电压和双采样保持功能，拥有两路同相采样的±2.75V音频输入。同时，它能够实现每通道4倍过采样率，运行于±5V电源，最大功耗仅300mW，采用紧凑的28引脚塑料DIP或SOIC封装，节省电路板空间。

二、工作原理深度解析

整体架构

PCM1750是一款专为数字音频等应用设计的双18位逐次逼近型CMOS模数转换器，采用3µ P - well 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和两层互连金属。其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，避免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。在此模式下，开关处于特定状态，C1既用于采样和存储输入信号VIN，又是电容式数模转换器（CDAC）的最高有效位（MSB）。通过自动调零周期，可消除比较器的1/f噪声和直流输入失调电压。

逐次逼近转换过程

转换过程由转换命令（CONVERT）和时钟信号（CLK）控制，这些信号来自可选数字滤波器的256fs时钟。在转换命令的上升沿，多个事件同时发生，包括终止比较器自动调零周期、将两个转换器切换到保持模式以捕获输入信号的瞬时值。19位移位寄存器控制双ADC的位测试，从MSB开始逐位进行，根据比较器的反馈决定是否保留该位，最终使比较器输入接近零电位。

差分线性校准

PCM1750的校准与多晶硅 - 多晶硅电容器的特性密切相关。由于未校准的多晶硅电容器的比率匹配约为0.1%，而16位级别的差分线性误差（DLE）要求更显著位的比率匹配约为0.001%，因此需要进行一次性工厂校准。此外，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，产生的校正电压通过电容C1T耦合到比较器的负输入。CDAC和TDAC的开关同时操作，确保每个位的校正电压与位决策一致。

三、技术规格详细解读

分辨率与动态范围

PCM1750的理论分辨率为18位，对应262,144个输出代码，动态范围通常为90dB，最小值为88dB（音频带宽20Hz - 24kHz，fIN = 1kHz，fS = 192kHz）。

模拟输入范围

模拟输入范围为双极性±2.75V，输出编码采用二进制补码。输入输出关系在表格和图形中明确展示，同时要注意偏移和增益误差会随温度和电源电压变化。

采样保持参数

• 孔径延迟：从采样模式切换到保持模式所需的时间，典型值为10ns，且保持恒定。
• 孔径不确定性（抖动）：影响转换器的整体精度，在输入信号频率超过97kHz或期望信噪比大于15位时，孔径抖动会成为影响因素。
• 输入带宽：全功率带宽典型值为500kHz，在宽带操作中可利用欠采样技术将带限信号下变频到转换器的基带。

数字I/O与定时

• 逻辑兼容性：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。
• 转换命令和外部时钟输入：转换命令的正边沿触发转换，典型脉冲宽度为81ns（192kHz采样率）。外部时钟输入为正边沿触发，对占空比无严格要求，但需注意避免快速逻辑边沿引起的逻辑串扰。
• 时钟锁定：PCM1750在正常操作所需的19个时钟之后，会通过内部逻辑屏蔽多余的时钟，直到下一个转换命令的正边沿。

信噪比与THD + N

• 信噪比（SNR）：在192kHz采样率下，对满量程1kHz信号进行FFT测量，使用可选的DF1750数字抽取滤波器可将转换器噪声分散到0Hz - 96kHz通带，并通过数字滤波器的阻带衰减抑制噪声，有效提高SNR 6dB。
• 总谐波失真加噪声（THD + N）：在不同输入信号电平和采样率下，PCM1750的THD + N表现优异，体现了其良好的音频信号处理能力。

四、实际应用注意事项

电源供应

确保电源电压在规定范围内（±4.75V - ±5.25V），注意电源的稳定性，以减少电源噪声对转换器性能的影响。

时钟信号

选择合适的时钟源，避免快速逻辑边沿对模拟阶段的干扰。可使用可选的DF1750数字滤波器提供合适的时钟信号，或在转换命令线上使用外部RC电路来减慢快速逻辑边沿。

抗混叠滤波

虽然PCM1750的过采样功能可降低对高阶抗混叠输入滤波的需求，但仍需根据具体应用选择合适的抗混叠滤波器，以确保音频信号的质量。

五、总结

PCM1750以其高性能、集成度高和设计灵活性等优势，成为音频应用中模数转换的理想选择。通过深入了解其工作原理和技术规格，电子工程师可以更好地利用该芯片的特性，设计出高质量的音频处理系统。在实际应用中，注意电源、时钟和滤波等方面的问题，能够充分发挥PCM1750的性能，为音频产品带来更出色的表现。你在使用PCM1750的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。