低功耗立体声ADC——PCM1870的技术剖析与应用指南

在当今便携式数字音频设备飞速发展的时代，低功耗、高性能的音频模数转换器（ADC）显得尤为重要。TI公司的PCM1870就是这样一款出色的产品，下面我们就来深入了解一下它的特性、应用及相关技术细节。

文件下载：PCM1870RHFR.pdf

1. 产品概述

PCM1870是一款专为便携式数字音频应用设计的16位低功耗立体声ADC，具备麦克风偏置和麦克风放大器功能。它采用24 - QFN（4 mm × 5 mm）和24 - DSBGA（2.49 mm × 3.49 mm）封装，有效节省了电路板空间。该芯片适用于多种设备，如便携式音频播放器、手机、摄像机、数码静态相机、PMP/DMB以及语音记录仪等。

2. 关键特性

2.1 模拟前端特性

• 输入类型多样：支持立体声单端输入（带MUX）和单声道差分输入。
• 可编程增益放大：具备立体声可编程增益放大器，可对模拟输入信号进行灵活的增益调整，增益范围从30 dB到 - 12 dB，以1 dB为步长进行调节。
• 麦克风增强：拥有麦克风增强放大器和偏置，可为外部麦克风提供2 mA（典型值）的偏置电流。

2.2 模拟性能

• 动态范围：达到90 dB，能够清晰地捕捉音频信号的细微变化。
• 信噪比（SNR）：EIAJ、A加权下为83 - 90 dB，有效减少噪声干扰，保证音频质量。
• 声道分离度：高达87 dB，确保左右声道之间的独立性。

2.3 低功耗设计

• 不同模式下功耗不同：在录音模式下，1.8/2.4 V、48 kHz、立体声时功耗为13 mW；1.8/2.4 V、8 kHz、单声道时功耗为5.3 mW；全功率关闭模式下仅为3.3 μW。

2.4 采样与时钟特性

• 采样频率：支持5 kHz到50 kHz的采样频率，满足不同音频应用的需求。
• 系统时钟：采用通用音频时钟（256 fS/384 fS），频率包括12/24、13/26、13.5/27、19.2/38.4、19.68/39.36 MHz等。

2.5 可编程功能

• 数字软静音：可通过寄存器控制实现数字软静音功能，避免音频信号的突然变化。
• 模块电源控制：能够对每个模块进行独立的电源上下电控制，进一步降低功耗。
• 音调控制与音效：支持三频段音调控制和3D音效，可通过寄存器设置相关参数，提升音频的听觉效果。
• 滤波功能：具备高通滤波器和两级陷波滤波器，可有效去除直流偏移和特定频率的噪声。

3. 电气特性

3.1 电源电压

• 数字I/O部分：电源电压范围为1.71 V到3.6 V。
• 数字核心部分：电源电压范围为1.71 V到3.6 V。
• 模拟部分：电源电压范围为2.4 V到3.6 V。

3.2 输入输出特性

• 输入阻抗：不同增益设置下，AIN1L、AIN1R、AIN2L、AIN2R的输入阻抗为10 - 20 kΩ；PGINL和PGINR在不同增益下输入阻抗有所不同，如PG3 = PG4 = - 12 dB时为70 - 142 kΩ，PG3 = PG4 = 30 dB时为4.7 - 9.5 kΩ。
• 输出特性：模拟输出（AOL和AOR）的中心电压为0.5 VCC，负载电阻为10 kΩ，负载电容为20 pF。

3.3 滤波器特性

• 抽取滤波器：通带为0.408 fS，阻带为0.591 fS，通带纹波为±0.02 dB，阻带衰减在f < 3.268 fS时为 - 60 dB，群延迟为17/fS。
• 高通滤波器：可设置不同的截止频率，如4 Hz、120 Hz、240 Hz等，在不同截止频率下有相应的频率响应特性。

4. 引脚分配与功能

PCM1870的引脚涵盖了模拟输入、输出，数字输入、输出以及时钟、控制等多种功能。例如，AGND为模拟地，AIN1L、AIN1R等为模拟输入引脚，DOUT为串行音频数据输出引脚，SCKI为系统时钟输入引脚等。通过合理连接这些引脚，可以实现芯片与外部电路的有效通信和协同工作。

5. 操作说明

5.1 系统时钟输入

PCM1870可以接受各种频率的输入时钟，无需PLL。时钟用于数字滤波器、自动电平控制和Δ - Σ调制器的时钟驱动。系统时钟的采样率和频率由寄存器86（MSR[2:0]）和寄存器85（NPR[5:0]）设置。

5.2 上电复位与系统复位

• 上电复位：上电复位电路通常在VDD = 1.2 V时输出复位信号，将内部电路清零至默认状态，同时清除所有模拟和数字输出信号。芯片不需要特定的电源供电顺序，但需要在所有电源开启后写入寄存器数据。
• 系统复位：通过设置寄存器85（SRST）启用系统复位，所有寄存器将自动清零，所有电路恢复到默认状态。需要注意的是，启用SRST时，模拟输出会产生可听的爆音噪声。

5.3 电源上下电序列

为了减少可听的爆音噪声，上电和下电时需要按照推荐的寄存器设置序列进行操作。上电时，先开启所有电源，然后依次设置音频接口格式、增益控制、模拟偏置上电等；下电时，先启用数字软静音，然后关闭模拟前端、VCOM和模拟偏置，最后关闭所有电源。

6. 音频串行接口

6.1 接口组成

PCM1870的音频串行接口由LRCK、BCK和DOUT组成。LRCK表示采样率和左右声道信息，DOUT传输ADC抽取滤波器的串行数据，BCK用于在其高低电平转换时传输DOUT上的串行音频数据。BCK和LRCK应与音频系统时钟同步，理想情况下应从系统时钟派生。

6.2 数据格式与时序

支持I2S、右对齐、左对齐和DSP格式，数据格式通过寄存器70（RFM[1:0]，PFM[1:0]）选择，所有格式要求音频数据为二进制补码、MSB优先。不同格式下有相应的BCK脉冲周期时间、电平时间以及信号间的延迟时间等时序要求。

7. 三线接口（SPI）

7.1 数据格式

所有串行控制端口的写操作使用16位数据字，最高位必须为0，其中IDX[6:0]设置写操作的寄存器地址，D[7:0]包含要写入指定寄存器的数据。

7.2 时序要求

写入数据时，数据在MC时钟的上升沿被时钟输入到内部移位寄存器，串行数据应在MC时钟的下降沿改变，且在写模式下为低电平。MS的上升沿应与16位帧中最后一个MC时钟脉冲的下降沿对齐。

8. 总结

PCM1870以其丰富的功能、出色的性能和低功耗特性，为便携式数字音频应用提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理设置芯片的各种参数，注意电源上下电序列和接口时序等问题，以充分发挥PCM1870的优势，实现高质量的音频处理。大家在使用PCM1870的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。