德州仪器PCM1791A：高性能音频数模转换器的深度剖析

在音频处理领域，数模转换器（DAC）的性能直接影响着音频的质量。德州仪器的PCM1791A作为一款24位、192kHz采样的高级分段音频立体声数模转换器，具有诸多卓越特性，为音频设备带来了出色的音频表现。

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1. 产品特性亮点

高分辨率与出色模拟性能

• 24位分辨率：提供了极为精细的音频数据转换，能够捕捉和还原音频信号的细微变化，为用户带来更丰富、更真实的音频体验。
• 动态范围与失真控制：动态范围高达113dB，总谐波失真加噪声（THD + N）低至0.001%，确保了音频信号的高保真度，有效减少了失真和噪声的干扰。
• 输出电压：满量程输出为2.1V RMS（后置放大器处），差分电压输出达3.2Vp - p，能够满足不同音频系统的功率需求。

先进的数字滤波与采样功能

• 8倍过采样数字滤波器：具有 - 82dB的阻带衰减和 ±0.002dB的通带波纹，有效滤除高频噪声，提升音频的纯净度。
• 宽采样频率范围：支持10kHz至200kHz的采样频率，适应多种音频格式和应用场景。
• 系统时钟自动检测：可自动检测128、192、256、384、512或768 fs的系统时钟，为不同的音频系统提供了灵活的时钟配置选项。

丰富的数据格式与接口支持

• 多种PCM数据格式：支持标准、I2S和左对齐等常见的PCM数据格式，方便与各种音频设备进行接口。
• DSD格式接口：提供DSD格式接口，满足对高音质有更高要求的应用，如SACD播放。
• 可选外部数字滤波器或DSP接口：可与外部数字滤波器（如DF1704、DF1706、PMD200）或DSP进行接口，进一步扩展音频处理能力。

用户可编程模式控制

• 数字衰减：可在0dB至 - 120dB范围内以0.5dB为步长进行调节，方便用户根据实际需求调整音频音量。
• 数字去加重：有效去除音频信号中的高频噪声，提高音频质量。
• 数字滤波器滚降选择：提供尖锐或缓慢两种滚降模式，满足不同音频处理的需求。
• 软静音功能：可通过硬件或软件控制实现音频输出的静音，操作方便。
• 零标志输出：为每个输出通道提供零标志，方便用户监测音频信号的状态。

电源与封装优势

• 双电源供电：采用5V模拟电源和3.3V数字电源，确保了模拟和数字电路的稳定运行。
• 5V耐受数字输入：增强了数字输入的抗干扰能力，提高了系统的可靠性。
• 小型28引脚SSOP封装：节省了电路板空间，适合小型化音频设备的设计。

2. 应用领域广泛

PCM1791A适用于多种音频设备，包括A/V接收器、SACD播放器、DVD播放器、HDTV接收器、汽车音频系统和数字多轨录音机等。其高性能和丰富的功能使其成为对音频质量有较高要求的应用的理想选择。

3. 电气特性详解

数据格式

• PCM模式：支持16、20和24位音频数据，数据接口格式包括标准、I2S和左对齐，采用MSB优先的二进制补码格式。
• DSD模式：音频数据接口格式为DSD，数据位长度为1位，采样频率为2.8224MHz，系统时钟频率范围为2.8224 - 11.2896MHz。

动态性能

• PCM模式：在不同采样频率下，THD + N表现优秀，如在44.1kHz时为0.001%，96kHz时为0.0015%，192kHz时为0.003%。动态范围和信噪比在不同采样频率下均能达到113dB左右，声道分离度也表现出色。
• DSD模式：THD + N为0.001%，动态范围和信噪比同样达到113dB。

模拟输出

• 增益误差：在 - 8%至8% FSR范围内，增益失配在 - 3%至3% FSR范围内，确保了左右声道的一致性。
• 双极零误差：在双极零（BPZ）处为 - 2%至2% FSR，保证了音频信号的准确还原。
• 差分输出电压：满量程时为3.2Vp - p，双极零电压为1.4V，负载阻抗为1.7kΩ。

数字滤波器性能

• 去加重误差：控制在 ±0.1dB以内，有效去除音频信号中的高频噪声。
• 滤波器特性：提供尖锐和缓慢两种滚降模式，通带波纹均控制在 ±0.002dB以内，阻带衰减可达 - 82dB。

电源要求

• VDD：电压范围为3 - 3.6V，典型值为3.3V。
• VCC：电压范围为4.5 - 5.5V，典型值为5V。
• 电源电流：随着采样频率的增加而增大，如在44.1kHz时IDD为6.5 - 8mA，ICC为14 - 16mA；在192kHz时IDD为28mA，ICC为16mA。

4. 引脚与功能介绍

PCM1791A的引脚功能丰富，涵盖了模拟地、数字地、电源、音频数据输入、时钟输入、模式控制等多个方面。例如，AGNDC、AGNDF、AGNDL和AGNDR为模拟地引脚，分别用于不同的模拟电路；BCK、DATA和LRCK为音频数据接口引脚，用于传输音频数据；SCK为系统时钟输入引脚，为数字插值滤波器和高级分段DAC调制器提供时钟信号。

5. 系统时钟与复位功能

系统时钟输入

PCM1791A需要一个系统时钟来驱动数字插值滤波器和高级分段DAC调制器。系统时钟通过SCK引脚输入，其频率可自动检测。不同的音频采样频率对应不同的系统时钟频率，如44.1kHz采样频率对应的系统时钟频率可以是5.6488MHz（128 fS）、8.4672MHz（192 fS）等。为了获得最佳性能，建议使用低相位抖动和噪声的时钟源，如德州仪器的PLL1700系列多时钟发生器。

电源上电和外部复位功能

• 电源上电复位：当VDD > 2V时，电源上电复位功能启用，初始化序列需要1024个系统时钟周期。初始化完成后，PCM1791A进入默认复位状态。
• 外部复位：通过RST引脚可以实现外部复位功能。将RST引脚置为逻辑0至少20ns，然后置为逻辑1，即可启动初始化序列，同样需要1024个系统时钟周期。外部复位在PCM1791A上电和系统时钟激活存在延迟的应用中非常有用。

6. 音频数据接口

音频串行接口

音频接口端口是一个3线串行端口，包括LRCK、BCK和DATA引脚。BCK为串行音频位时钟，用于将DATA引脚上的串行数据时钟输入到音频接口的串行移位寄存器中；LRCK为串行音频左右字时钟。PCM1791A要求LRCK和系统时钟同步，但不要求它们之间有特定的相位关系。

PCM音频数据格式和时序

支持标准右对齐、I2S和左对齐等行业标准音频数据格式，数据格式通过控制寄存器18中的格式位FMT[2:0]进行选择，默认数据格式为24位I2S。所有格式都要求采用二进制补码、MSB优先的音频数据。

外部数字滤波器接口和时序

支持一个4线同步串行端口的外部数字滤波器接口，可使用外部数字滤波器（如DF1704、DF1706、PMD200）或可编程数字信号处理器。通过控制寄存器20中的DFTH位选择外部数字滤波器模式，此时LRCK、BCK、DATA和MUTE引脚分别定义为WDCK、BCK、DATAL和DATAR。

直接流数字（DSD）格式接口和时序

支持DSD格式接口操作，通过内部模拟FIR滤波器进行带外噪声滤波。在DSD模式下，SCK引脚重新定义为BCK，DATA引脚定义为DATAL，LRCK引脚定义为DATAR，BCK引脚必须强制为低电平。通过控制寄存器20中的DSD位激活DSD模式。

TDMCA接口

支持时分复用命令和音频（TDMCA）数据格式，可通过单个串行接口实现对多个外部设备的控制和通信。

7. 功能描述

零检测功能

PCM1791A具有零检测功能，当检测到特定的零条件时，将ZEROL和ZEROR引脚置为HIGH。不同模式下的零检测条件不同，如PCM模式下要求DATA连续1024个LRCK周期为LOW。

软静音功能

支持硬件和软件控制的静音操作。当MUTE引脚置为HIGH或模式寄存器18中的MUTE位设置为1时，模拟输出将以 - 0.5dB的步长衰减到双极零电平，衰减步骤的持续时间由模式寄存器19中的ATS0和ATS1位控制。

串行控制接口

支持SPI和I2C两种串行控制接口，通过MSEL引脚进行选择。SPI接口是一个4线同步串行端口，用于对片上模式寄存器进行编程和读取。所有读写操作使用16位数据字，通过控制数据字中的R/W位、IDX[6:0]和D[7:0]来实现寄存器的读写操作。

综上所述，德州仪器的PCM1791A以其卓越的性能、丰富的功能和灵活的接口，为音频设备的设计提供了强大的支持。无论是在消费电子、专业音频还是汽车音频等领域，PCM1791A都能发挥其优势，为用户带来高品质的音频体验。电子工程师在设计音频系统时，不妨考虑PCM1791A，以满足对音频质量的高要求。你在使用PCM1791A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。