德州仪器PCM1801：单端模拟输入16位立体声模数转换器深度解析

一、引言

在当今的电子设备中，模数转换器（ADC）扮演着至关重要的角色，它是模拟信号与数字信号之间的桥梁。德州仪器（TI）的PCM1801作为一款单端模拟输入16位立体声模数转换器，以其出色的性能和广泛的应用场景，受到了众多电子工程师的青睐。本文将对PCM1801进行全面深入的解析，希望能为各位工程师在设计中提供有价值的参考。

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二、PCM1801的特性与优势

2.1 高性能ADC架构

PCM1801采用双16位单片ΔΣ ADC，具有单端电压输入功能，并且内置抗混叠滤波器。其64×过采样抽取滤波器表现出色，通带纹波仅为±0.05 dB，阻带衰减达到 -65 dB，能有效滤除噪声，保证信号的纯净度。

2.2 优异的模拟性能

在模拟性能方面，PCM1801表现卓越。总谐波失真加噪声（THD + N）典型值为 -88 dB，信噪比（SNR）和动态范围典型值均为93 dB，能够提供高质量的音频转换。此外，内部的高通滤波器可有效去除直流分量，进一步提升音频质量。

2.3 灵活的接口与采样率

PCM1801支持左对齐和I2S两种PCM音频接口格式，采样率范围为4 kHz至48 kHz，系统时钟可选256 fS、384 fS或512 fS，能满足不同应用场景的需求。

2.4 低功耗与小封装

该芯片采用单5 - V电源供电，功耗较低，并且采用小型SO - 14封装，节省电路板空间，非常适合对尺寸和功耗有严格要求的应用。

三、应用场景

PCM1801适用于多种消费类电子产品，如DVD录像机、DVD接收器、AV放大器接收器以及电子乐器等。这些应用场景对音频质量要求较高，PCM1801的高性能特性能够很好地满足需求。

四、技术参数详解

4.1 绝对最大额定值

了解芯片的绝对最大额定值对于正确使用芯片至关重要。PCM1801的电源电压范围为 -0.3 V至6.5 V，电源电压差和地电压差均为±0.1 V，数字和模拟输入电压范围为 -0.3 V至（VDD + 0.3 V）且小于6.5 V，输入电流（除电源引脚外）为±10 mA，功率耗散为300 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，焊接时引脚温度为260°C（5 s），封装温度（IR回流峰值）为235°C。

4.2 推荐工作条件

在推荐工作条件下，模拟和数字电源电压均为4.5 V至5.5 V，模拟输入满量程电压为2.828 Vp - p，数字输入逻辑家族为TTL，数字输入时钟频率根据系统时钟和采样时钟有所不同，数字输出负载电容为10 pF，工作环境温度为 -25°C至85°C。

4.3 引脚配置

PCM1801共有14个引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，AGND和DGND分别为模拟地和数字地，BCK为位时钟输入，DOUT为音频数据输出等。工程师在设计电路板时，需要根据引脚功能进行合理布局。

4.4 电气特性

在电气特性方面，PCM1801的分辨率为16位，数字输入输出的逻辑电平、电流等参数都有明确规定。此外，还包括直流精度、动态性能、模拟输入、数字滤波器性能等方面的参数，这些参数直接影响着芯片的性能表现。

五、工作原理

5.1 整体架构

PCM1801主要由带隙基准、两个单端转差分转换器、一个全差分5阶ΔΣ调制器、一个抽取滤波器（包括数字高通滤波器）和一个串行接口电路组成。内部高精度基准和两个外部电容提供转换器所需的所有参考电压，并定义了两个通道的满量程电压范围。

5.2 信号处理过程

输入信号以64×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ΔΣ噪声整形器由五个积分器、一个比较器和一个1位数模转换器（DAC）组成的反馈回路构成，将量化噪声移出音频频段。抽取滤波器将调制器输出的64 - fS、1位数据流转换为1 - fS、16位数字数据，并作为低通滤波器去除量化噪声。数字高通滤波器去除直流分量，滤波后的输出通过串行接口转换为时分复用串行信号。

5.3 系统时钟

PCM1801的系统时钟必须为256 fS、384 fS或512 fS，由SCKI引脚提供。芯片内部有系统时钟检测电路，当使用384 - fS或512 - fS系统时钟时，会自动将时钟分频为256 fS。

5.4 上电复位

PCM1801具有内部上电复位电路，当电源电压超过4 V（典型值）时初始化。系统时钟作为复位电路的时钟信号，上电后必须尽快提供系统时钟，在VDD > 4 V之前至少需要三个系统时钟周期。在VCC / VDD < 4 V（典型值）以及VCC / VDD > 4 V后的1024个系统时钟周期内，芯片处于复位状态，数字输出为零。复位状态解除后18,436 fS周期，数字输出有效。

5.5 串行音频数据接口

PCM1801通过BCK、LRCK和DOUT引脚与音频系统接口。支持左对齐和I2S两种音频数据格式，由FMT引脚控制选择。接口时序有严格要求，如BCK周期、脉冲持续时间、LRCK建立和保持时间等。

5.6 同步问题

PCM1801的LRCK与系统时钟（SCKI）同步工作，不要求LRCK和SCKI之间有特定的相位关系，但需要二者同步。如果在一个采样周期内LRCK和SCKI的关系变化超过6个位时钟（BCK），ADC内部操作将停止，数字输出被强制为零，直到重新同步。

5.7 HPF旁路控制

通过BYPAS引脚可以控制内置的高通滤波器是否旁路。低电平时为正常模式（直流截止），高电平时为旁路模式，此时输入模拟信号的直流分量和内部直流偏移等也会被转换并输出。

六、应用设计注意事项

6.1 电路板设计与布局

• 电源引脚：数字和模拟电源线路应使用0.1 - μF陶瓷电容和10 - μF钽电容尽可能靠近引脚旁路到相应的地引脚，以提高ADC的动态性能。建议使用一个公共电源，避免电源排序问题。
• 接地引脚：模拟地和数字地内部不连接，应保持低阻抗，直接在PCM1801封装下连接，以减少噪声问题。
• 输入引脚：推荐使用1.0 - μF钽电容作为交流耦合电容，建立5.3 - Hz截止频率。如果需要更高的满量程输入电压，可以在VIN引脚添加串联电阻。
• 参考引脚：为确保低源阻抗，建议在VREF1和VREF2引脚到AGND之间使用4.7 - μF钽电容，并尽可能靠近引脚。
• 输出引脚：DOUT引脚负载驱动能力较大，但建议在PCM1801附近放置缓冲器并最小化负载电容，以减少数字 - 模拟串扰，提高ADC的动态性能。
• FMT引脚：一般根据接口要求将FMT引脚连接到DGND或VDD以选择音频数据格式。如果在PCM1801上电前无法确保有效系统时钟，当需要I2S格式时，应在电源复位序列完成后将FMT引脚置高，可以通过连接一个延迟时间大于1 ms的C - R延迟电路来实现。
• 系统时钟：系统时钟的质量会影响PCM1801的动态性能，需要仔细管理时钟输入引脚的占空比、抖动和阈值电压。上电时，系统时钟、位时钟（BCK）和字时钟（LRCK）应同时提供，否则可能导致功耗增加，甚至影响长期可靠性。

6.2 典型电路连接

文中给出了一个典型的电路连接图，输入高通滤波器截止频率约为5 Hz。在实际设计中，可以参考该电路进行布局和连接。

七、总结

PCM1801作为一款高性能的单端模拟输入16位立体声模数转换器，具有诸多优点，如优异的模拟性能、灵活的接口和采样率、低功耗和小封装等。在应用设计中，工程师需要充分了解其技术参数、工作原理和应用注意事项，合理进行电路板设计和布局，以充分发挥其性能优势。各位工程师在使用PCM1801时，是否遇到过一些特殊的问题或者有独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。