深入解析PCM1704：24位高性能数模转换器

在音频设备设计领域，数模转换器（DAC）的性能直接影响着音频质量。PCM1704作为一款24位、96kHz的高性能数模转换器，凭借其卓越的性能，在高端消费和专业音频应用中占据重要地位。今天，我们就来深入了解一下这款优秀的DAC。

文件下载：PCM1704U-J/2K.pdf

一、PCM1704的主要特性

1. 采样频率与过采样

PCM1704的采样频率范围为16kHz至96kHz，在96kHz时支持8倍过采样。这种过采样技术能够有效提高音频信号的质量，减少噪声和失真。

2. 输入音频数据字

支持20位和24位的输入音频数据字，满足不同应用场景对数据精度的要求。

3. 高性能指标

• 动态范围：K级典型值为112dB，这意味着它能够处理较大范围的音频信号，从微弱的细节到强烈的动态变化都能完美呈现。
• 信噪比（SNR）：典型值为120dB，高信噪比保证了音频信号的纯净度，减少背景噪声的干扰。
• 总谐波失真加噪声（THD+N）：K级典型值为0.0008%，极低的失真率确保了音频信号的高保真度。

  4. 快速电流输出

  具备±1.2mA/200ns的快速电流输出能力，能够快速响应音频信号的变化，提供流畅的音频输出。

  5. 无毛刺输出

  采用独特的架构，消除了双极性零点附近的毛刺和非线性问题，确保输出信号的平滑性。

  6. 引脚可编程数据反转

  通过引脚可以对输入数据进行极性选择，增加了设计的灵活性。

  7. 电源要求

  仅需±5V的电源供应，简化了电源设计，降低了功耗。

  8. 小封装

  采用20引脚的SO封装，体积小巧，适合在空间有限的设备中使用。

二、PCM1704的工作原理

1. 符号 - 幅度架构

传统的数字音频系统通常使用激光微调的电流源DAC来实现足够的精度，但在双极性零点过渡时可能会出现低电平非线性问题。而PCM1704采用了创新的符号 - 幅度架构，将两个DAC以互补的方式组合在一起，产生极其线性的输出。这两个DAC共享一个公共参考和一个公共的R - 2R梯形电阻网络，通过精确的激光微调电阻，实现了两个DAC之间的高度匹配。这种架构避免了毛刺和大的线性误差，在双极性零点附近能够实现真正的24位分辨率。

2. 关键指标分析

• 总谐波失真加噪声（THD+N）：这是PCM1704的关键指标之一。在生产测试中，将DAC的输出连接到电流 - 电压（I/V）转换器，然后通过40kHz的3阶GIC低通滤波器，再经过可编程增益放大器后输入到模拟失真分析仪。在音频带宽内，PCM1704的THD+N基本保持平坦。
• 动态范围：数据转换器的动态范围定义为在有效输出信号电平为 - 60dBFS时的THD+N测量值。PCM1704的符号 - 幅度架构在双极性零点附近具有理想的性能，提供了比其他D/A转换器更实用的动态范围。
• 空闲通道信噪比（SNR）：这是衡量数字音频转换器的另一个重要指标。通过将数字输入持续提供双极性零点的代码，同时对DAC输出进行20Hz至20kHz的带限和A加权处理，PCM1704的理想通道SNR通常大于120dB，非常适合低噪声应用。
• 偏移增益和温度漂移：除了动态指标外，PCM1704还给出了传统的直流参数，如增益误差、双极性零点偏移、温度增益和偏移漂移等。这些指标在测试和测量系统中非常重要。

三、音频数据接口

1. 基本操作

PCM1704的音频接口接受TTL兼容的输入电平，数据格式为二进制补码，最高有效位（MSB）在串行输入位流中最先传输。音频数据通过DATA引脚输入，位时钟BCLK用于将数据移入PCM1704，所有DAC串行输入数据位在BCLK的上升沿锁存到串行输入寄存器中。串行到并行的数据传输在WCLK的下降沿发生，DAC输出的变化在WCLK下降沿后的第二个BCLK上升沿出现。

2. 最大位时钟（BCLK）速率

PCM1704的最大BCLK速率为25MHz，这是由其8倍过采样和96kHz的采样率以及32位的帧长度决定的。

3. “停止时钟”操作

PCM1704通常在连续的BCLK输入下工作。如果在输入数据字之间停止BCLK，最后移入的24位数据不会从串行寄存器传输到并行DAC寄存器，直到WCLK变为低电平。WCLK必须保持低电平，直到下一个数据字的第一个BCLK周期之后，以确保DAC正常工作。

4. 数据格式控制

• 输入字长度：通过20BIT引脚选择输入数据长度，默认情况下为24位数据。
• 输入数据反转：通过INVERT引脚选择输入数据的相位，默认情况下为正常（非反转）数据。

四、应用信息

1. 电源供应

PCM1704仅需±5V的电源供应。正电源（+VDD和+VCC）应在一点连接到单个+5V模拟电源，负电源（ - VDD和 - VCC）也应在一点连接到单个 - 5V模拟电源。为了减少电源噪声对输出的影响，应使用电源去耦电容，并将所有接地引脚（AGND和DGND）连接到尽可能靠近PCM1704的模拟接地平面。

2. 旁路和去耦电容要求

可以使用不同大小的去耦电容，无需特殊公差。建议将电容尽可能靠近PCM1704的相应引脚，以减少周围电路的噪声拾取。对于较大的值，推荐使用铝电解电容；对于较小的值，使用金属膜或单片陶瓷电容。

3. 典型应用

• 立体声音频应用：音频数据输入到数字滤波器，经过8倍过采样和数字滤波后输出到PCM1704 DAC。
• 单通道应用：PCM1704与数字滤波器、I/V转换器和DAC后置滤波器连接。选择合适的运算放大器对于获得PCM1704的最佳动态性能至关重要，推荐使用OPA627作为I/V转换器的运算放大器，OPA2134作为DAC后置滤波器的运算放大器。

五、总结

PCM1704以其卓越的性能、创新的架构和灵活的接口设计，成为高端音频应用的理想选择。无论是在消费级音频设备还是专业音频系统中，PCM1704都能够提供高质量的音频转换。作为电子工程师，在设计音频设备时，不妨考虑使用PCM1704，相信它会为你的设计带来出色的音频效果。你在使用PCM1704或其他DAC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。