深入剖析PCM1800：20位立体声模数转换器的卓越之选

在音频处理领域，模数转换器（ADC）的性能直接影响着音频质量。TI的PCM1800作为一款低成本、高性能的单芯片立体声模数转换器，凭借其出色的特性和广泛的应用场景，成为众多电子工程师的热门选择。今天，我们就来深入了解一下这款PCM1800。

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一、产品概述

PCM1800是一款单端模拟电压输入的20位立体声模数转换器。它采用高度先进的CMOS工艺制造，封装为小巧的24引脚SSOP封装，适用于对成本敏感且对性能有要求的各种消费类应用，如DVD录像机、DVD接收器、AV放大器接收器和电子乐器等。

（一）产品特性

1. 双20位单片ΔΣ ADC：具备双声道20位的转换精度，为音频信号提供高精度的数字化转换。
2. 单端电压输入：方便与单端信号源连接，简化电路设计。
3. 64倍过采样抽取滤波器
   • 通带纹波仅为±0.05 dB，确保音频信号在通带内的稳定性。
   • 阻带衰减达到 -65 dB，有效抑制带外噪声。
4. 高性能指标
   • 总谐波失真加噪声（THD + N）典型值为 -88 dB，保证了低失真的音频转换。
   • 信噪比（SNR）典型值为 95 dB，提供清晰、纯净的音频信号。
   • 动态范围典型值为 95 dB，能够捕捉到音频信号的细微变化。
   • 内置高通滤波器，可去除直流分量。
5. PCM音频接口
   • 支持主/从模式，可灵活适应不同的系统架构。
   • 提供四种数据格式，满足多样化的音频数据传输需求。
6. 采样率范围广：采样率可在 4 kHz 至 48 kHz 之间调整，适应不同音频应用的要求。
7. 系统时钟灵活：系统时钟可选 256 fS、384 fS 或 512 fS，方便与不同的时钟源配合。
8. 单 5V 电源供电：简化电源设计，降低系统成本。

二、电气特性

（一）分辨率与数字输入输出

PCM1800的分辨率为20位，数字输入输出具有明确的逻辑电平要求。输入逻辑高电平（VIH）为2 V，输入逻辑低电平（VIL）为0.8 V；输出逻辑高电平（VOH）在 IOH = -1.6 mA 时为4.5 V，输出逻辑低电平（VOL）在 IOL = 3.2 mA 时为0.5 V。

（二）采样频率与系统时钟

采样频率范围为 4 kHz 至 48 kHz，系统时钟频率根据不同的采样率和倍数关系有所不同。例如，当采样率为 44.1 kHz 时，256 fS 对应的系统时钟频率为 11.2896 MHz，384 fS 为 16.9344 MHz，512 fS 为 22.5792 MHz。

（三）直流精度

通道间增益失配在±1%至±2.5% FSR 之间，增益误差在±2%至±5% FSR 之间，增益漂移为±20 ppm/°C FSR。双极性零误差在高通滤波器旁路时为±2% FSR，双极性零漂移为±20 ppm/°C FSR。

（四）动态性能

在满量程（-0.5 dB）时，THD + N 典型值为 -88 dB，在 -60 dB 时为 -92 dB。A 加权动态范围典型值为 95 dB，A 加权信噪比典型值为 95 dB，通道分离度典型值为 93 dB。

（五）模拟输入

输入范围在满量程（VIN = 0 dB）时为 2.828 Vp-p，中心电压为 2.1 VDC，输入阻抗为 30 kΩ。抗混叠滤波器在 CEXT = 470 pF 时，-3 dB 频率为 170 kHz。

（六）电源要求与温度范围

电源电压 VCC 和 VDD 的范围为 4.5 V 至 5.5 V，典型值为 5 V。在 VCC = VDD = 5 V 时，电源电流典型值为 18 mA，功耗典型值为 90 mW。工作温度范围为 -25°C 至 85°C，存储温度范围为 -55°C 至 125°C。

三、引脚配置与功能

PCM1800的引脚分配明确，各引脚功能如下：	引脚名称	引脚编号	输入/输出	描述
AGND	24	-	模拟地
BCK	14	I/O	位时钟输入/输出
BYPAS	7	I	高通滤波器旁路控制
CIN NL	21	-	抗混叠滤波器电容（-），左声道
CIN NR	19	-	抗混叠滤波器电容（-），右声道
CIN PL	22	-	抗混叠滤波器电容（+），左声道
CIN PR	20	-	抗混叠滤波器电容（+），右声道
DGND	17	-	数字地
DOUT	15	O	音频数据输出
FMT0	8	I	音频数据格式 0
FMT1	9	I	音频数据格式 1
FSYNC	12	I/O	帧同步，输入/输出
LRCK	13	I/O	采样时钟输入/输出（fS）
MODE0	10	I	主/从模式选择 0
MODE1	11	I	主/从模式选择 1
REFCOM	3	-	参考去耦公共端
SYSCLK	16	I	系统时钟输入，256 fS、384 fS 或 512 fS
RSTB	6	I	复位输入，低电平有效
VCC	23	-	模拟电源
VDD	18	-	数字电源
VIN L	1	I	模拟输入，左声道
VIN R	5	I	模拟输入，右声道
VREF 1	2	-	参考 1 去耦电容
VREF 2	4	-	参考 2 去耦电容

四、工作原理

（一）整体架构

PCM1800主要由带隙基准、两个单端转差分转换器、一个全差分 5 阶 delta - sigma 调制器、一个抽取滤波器（包括数字高通）和一个串行接口电路组成。

（二）信号处理过程

1. 参考电压提供：内部高精度参考与两个外部电容提供转换器所需的所有参考电压，并定义了两个声道的满量程电压范围。
2. 单端转差分转换：内部单端转差分电压转换器节省了外部电路的设计、空间和额外部件。
3. 过采样与调制：输入信号以 64 倍过采样率进行采样，无需采样保持电路，简化了抗混叠滤波要求。5 阶 delta - sigma 噪声整形器由五个积分器、一个比较器和一个 1 位 DAC 组成的反馈回路构成，将量化噪声移出音频频段。
4. 抽取滤波与高通滤波：调制器输出的 64 - fS、1 位数据流通过抽取滤波器转换为 1 - fS、20 位数字数据，同时作为低通滤波器去除量化噪声。高通滤波器去除直流分量。
5. 串行输出：滤波后的输出通过串行接口转换为时分复用的串行信号，提供灵活的串行格式和主/从模式。

五、系统时钟与复位

（一）系统时钟

PCM1800的系统时钟必须为 256 fS、384 fS 或 512 fS，由 SYSCLK 引脚提供。它还具备系统时钟检测电路，可自动识别时钟频率。在 384 - fS 或 512 - fS 系统时钟的从模式下，系统时钟会自动分频为 256 fS 用于数字滤波和调制器。

（二）复位与电源管理

PCM1800 具有内部上电复位电路和外部强制复位（RSTB 引脚）。内部上电复位在电源电压超过 4 V 时初始化。外部复位时，将 RSTB 引脚置为低电平。在复位期间，逻辑电路和数字滤波器停止工作并进入掉电模式，数字输出在复位释放后 18,436 fS 周期后有效。

六、串行音频数据接口

（一）接口模式

PCM1800 支持主/从模式，通过 MODE1 和 MODE0 引脚选择。主模式下，BCK、LRCK 和 FSYNC 为输出引脚，由内部时钟电路控制；从模式下，这些引脚为输入引脚，接收外部控制器的时序。

（二）数据格式

支持四种音频数据格式，通过 FMT1 和 FMT0 引脚选择，包括 20 位左对齐、20 位 I2S、16 位右对齐和 20 位右对齐格式。

（三）接口时序

主/从模式下的接口时序有明确的要求，如 BCK 周期、脉冲持续时间、信号延迟时间等。在从模式下，PCM1800 需要 LRCK 与系统时钟（SYSCLK）同步，若两者关系变化超过 6 个 BCK，则 ADC 内部操作暂停，数字输出进入 BPZ 模式，直到重新同步。

七、总结

PCM1800 以其高分辨率、高性能、灵活的接口和小巧的封装，为音频模数转换提供了优秀的解决方案。在实际设计中，电子工程师需要根据具体应用需求，合理选择系统时钟、接口模式和数据格式，确保 PCM1800 发挥最佳性能。同时，要注意复位和同步操作，避免出现数据异常。大家在使用 PCM1800 的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区交流分享。