Texas Instruments PCM1870：16位低功耗立体声音频ADC的卓越性能与应用

在当今的便携式数字音频设备中，一款高性能、低功耗的音频ADC（模拟 - 数字转换器）至关重要。Texas Instruments的PCM1870就是这样一款出色的产品，它为便携式音频应用带来了诸多优势。

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一、PCM1870的主要特性

（一）模拟前端

PCM1870拥有丰富的模拟前端功能。它支持立体声单端输入并带有MUX（多路复用器），还能实现单声道差分输入。同时，配备了立体声可编程增益放大器以及麦克风升压放大器和偏置电路。这些功能使得它能够灵活地处理各种音频输入信号，适应不同的应用场景。

（二）模拟性能

其动态范围达到了90 dB，这意味着它能够清晰地捕捉到音频信号中的细微变化，为音频质量提供了有力保障。

（三）电源电压

不同的电路部分对电源电压有不同的要求。数字I/O部分和数字核心部分的电源电压范围为1.71 V至3.6 V，而模拟部分的电源电压范围为2.4 V至3.6 V。这种灵活的电源设计使得PCM1870能够适应多种电源环境。

（四）低功耗

PCM1870在功耗方面表现出色。在录制模式下，当采样频率为48 kHz、立体声模式且电源电压为1.8/2.4 V时，功耗仅为13 mW；当采样频率为8 kHz、单声道模式时，功耗降至5.3 mW；在全功率关闭模式下，功耗更是低至3.3 μW。这对于便携式设备来说，能够显著延长电池续航时间。

（五）采样频率

它支持5 kHz至50 kHz的采样频率，能够满足大多数音频应用的需求。

（六）自动电平控制

具备自动电平控制（ALC）功能，可在录制过程中自动调整音频信号的电平，确保录制的音频不会出现过饱和或音量过低的情况。

（七）时钟输入

通过单时钟输入即可实现操作，无需PLL（锁相环）。系统时钟支持多种常见的音频时钟频率，如256 fS/384 fS，以及12/24、13/26、13.5/27、19.2/38.4、19.68/39.36 MHz等。

（八）串行控制

支持2线（I2C）或3线（SPI）串行控制方式，方便与其他设备进行通信和控制。

（九）可编程功能

通过寄存器控制，PCM1870具有多种可编程功能，包括数字软静音、各模块的电源上下电控制、模拟输入的增益设置（30 dB至 -12 dB）、麦克风输入的升压设置（0/12/20 dB）、ALC参数设置、三频段音调控制和3D音效以及高通滤波器和两级陷波滤波器等。

（十）降噪电路

配备了Pop噪声降低电路，能够有效减少音频信号中的噪声，提高音频质量。

（十一）封装形式

提供24 - QFN（4 mm × 5 mm）和24 - DSBGA（2.49 mm × 3.49 mm）两种封装形式，节省了电路板空间。

（十二）工作温度范围

工作温度范围为 -40°C至85°C，能够适应不同的环境条件。

二、应用领域

PCM1870适用于多种便携式数字音频应用，如便携式音频播放器、手机、摄像机、数码静态相机、PMP/DMB以及语音记录器等。它的高性能和低功耗特性使得这些设备能够实现更好的音频录制和播放效果。

三、电气特性

（一）绝对最大额定值

在使用PCM1870时，需要注意其绝对最大额定值。例如，电源电压范围为 -0.3至4 V，输入电压范围为 -0.3至4 V，输入电流（除电源引脚外）为 ±10 mA等。超过这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

（二）推荐工作条件

推荐的模拟电源电压VCC为2.4至3.6 V，数字电源电压VDD和VIO为1.71至3.6 V。系统时钟频率范围为3.072至18.432 MHz，采样时钟频率范围为8至48 kHz。

（三）音频数据特性

音频数据格式支持I2S、左对齐、右对齐和DSP格式，分辨率为16位，数据长度为16位，采用MSB - first和2s - complement编码方式。采样频率范围为5至50 kHz。

（四）动态性能

全量程输入电压为2.828 Vp - p（0 dB，1 Vrms），动态范围为90 dB，信噪比（SNR）为83至90 dB，声道分离度为87 dB，总谐波失真 + 噪声（THD + N）为 -1 dB至0.017%。

（五）模拟输入和输出特性

模拟输入的中心电压为0.5 VCC，输入阻抗根据不同的增益设置有所不同。模拟输出的中心电压同样为0.5 VCC，负载电阻为10 kΩ，负载电容为20 pF。

（六）麦克风偏置特性

麦克风偏置电压为0.75 VCC，偏置源电流为2 mA，输出噪声为6.5 μV。

（七）滤波器特性

ADC的抽取滤波器通带为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 s。高通滤波器的频率响应根据不同的截止频率（fc）有所不同。

（八）电源和电流特性

电源电压VIO、VDD和VCC的范围分别为1.71至3.6 V、1.71至3.6 V和2.4至3.6 V。在不同的工作状态下，电源电流和功耗也有所不同。例如，在所有输入静态时，BPZ输入的电源电流为8至12 mA，功耗为26.4至39.6 mW；所有输入静态时，功耗为3.3至33 μW。

四、引脚分配

PCM1870的引脚分配明确，不同的引脚具有不同的功能。例如，AGND为模拟地，AIN1L和AIN1R为左、右声道的模拟输入1，AOL和AOR为左、右声道的麦克风放大器输出等。通过合理连接这些引脚，可以实现PCM1870与其他电路的有效配合。

五、功能描述

（一）模拟输入

AIN1L、AIN1R、AIN2L和AIN2R引脚可作为麦克风或线路输入，具有可选择的0 - 或20 - dB升压和1 - Vrms输入。所有模拟输入具有高输入阻抗（20 kΩ），且不受增益设置的影响。通过寄存器87可以选择一对输入。AIN1L和AIN1R还可以用作单声道差分输入。

（二）增益设置

模拟信号在经过0 - 、12 - 或20 - dB升压放大器后，可以在30 dB至 -12 dB的范围内以1 - dB的步长进行调整。每个声道的增益水平可以通过寄存器79和80进行设置。

（三）A/D转换器

ADC包括多级delta - sigma调制器、混叠滤波器、抽取滤波器、高通滤波器和陷波滤波器，能够接受1 Vrms作为全量程输入电压。抽取滤波器具有数字软静音功能，可通过寄存器81控制；高通滤波器和陷波滤波器在不需要消除直流偏移或避免风噪声时，可以通过寄存器81和96至104禁用。

（四）公共电压

VCOM引脚通常偏置为0.5 VCC，为内部电路提供公共电压。建议连接一个4.7 - μF的电容到该引脚，以优化模拟性能。

（五）麦克风偏置

MICB引脚为外部麦克风提供偏置源，可提供2 mA（典型值）的偏置电流。

（六）自动电平控制（ALC）

在麦克风录制时，ALC能够自动扩展小输入信号并压缩大输入信号，确保录制的声音处于合适的电平。扩展水平、压缩水平、攻击时间和恢复时间可以通过寄存器83进行选择。

（七）3D音效

通过带通滤波器混合左、右声道数据，提供3D音效。控制参数（混合比例和带通滤波器特性）可以在寄存器95中设置。

（八）三频段音调控制

音调控制包括低音、中音和高音控制，可在12 dB至 -12 dB的范围内以1 - dB的步长进行调整。寄存器92至94用于设置这些控制参数。寄存器92（LPAE）可以自动衰减数字输入信号，防止在低音控制设置高于0 dB时输出信号削波，但对中音和高音控制无效。

（九）高通滤波器和陷波滤波器

高通滤波器用于消除ADC模拟部分的直流偏移，可在48 - kHz采样时设置为4 Hz、120 Hz或240 Hz。陷波滤波器用于去除特定频率的噪声，如CCD噪声、电机噪声和其他机械噪声。PCM1870有两个陷波滤波器，其中心频率和频率带宽可以通过寄存器96至104进行编程。

（十）数字单声道混合

通过寄存器96（MXEN），可以在内部音频接口部分将立体声数字数据混合为单声道数字数据。

（十一）零交叉检测

零交叉检测功能可以在改变模拟音量和数字衰减时最小化可听的拉链噪声。该功能可以通过寄存器86应用于数字输入或数字输出。

（十二）各模块的电源上下电

通过寄存器73、82和90，可以将未使用的模块断电，以最小化功耗。例如，在仅录制时，功耗为13 mW。

（十三）数字接口

所有数字I/O引脚可以在不同的电源电压下进行接口。VIO引脚可以连接到1.71 - V至3.6 - V的电源。

（十四）电源

VCC引脚可以连接到2.4 V至3.6 V的电源，VDD引脚和VIO引脚可以连接到1.71至3.6 V的电源。可以为每个引脚应用不同的电压。

六、操作说明

（一）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delta - sigma调制器的时钟，分为通用音频时钟和特定应用时钟。系统时钟的采样率和频率由寄存器86和85的设置决定。

（二）上电复位和系统复位

上电复位电路通常在VDD = 1.2 V时输出复位信号，内部电路被清除为默认状态，所有模拟和数字输出的信号被移除。系统复位可以通过设置寄存器85（SRST）来启用，所有寄存器将自动清除，所有电路将同时复位到默认状态。需要注意的是，启用SRST时，PCM1870的模拟输出会产生可听的pop噪声。

（三）电源上下电顺序

为了减少可听的pop噪声，在上电时需要按照推荐的顺序进行寄存器设置，下电时也需要进行相应的设置。推荐的上电和下电顺序分别在表3和表4中给出。

（四）电源电流

PCM1870的电流消耗取决于每个电路模块的上电/下电状态。为了节省功耗，建议在不使用某个模块时将其禁用。表5显示了在不同工作模式下的电流消耗情况。

七、音频串行接口

（一）接口组成

PCM1870的音频串行接口由LRCK、BCK和DOUT组成。采样率（ (f_{S}) ）、左右声道信息通过LRCK传输，DOUT传输来自ADC抽取滤波器的串行数据，BCK用于在其高 - 低转换时传输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。

（二）工作模式

PCM1870具有主模式和从模式接口格式，可以通过寄存器84（MSTR）进行选择。在主模式下，LRCK和BCK由系统时钟生成。

（三）音频数据格式和时序

支持I2S、右对齐、左对齐和DSP格式，数据格式通过寄存器70进行选择。所有格式都要求二进制2s - complement、MSB - first的音频数据，默认格式为I2S。文中给出了详细的时序图和参数要求。

八、串行控制接口

（一）三线接口（SPI）

所有串行控制端口的写操作使用16位数据字。控制数据字格式中，最高位必须为0，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。文中还给出了详细的功能时序图和时序要求。

（二）两线接口（I2C）

PCM1870作为从设备支持I2C串行总线和I2C标准的数据传输协议。该协议在I2C规范2.0中有详细解释。

总的来说，PCM1870是一款功能强大、性能卓越的音频ADC，它的低功耗、高集成度和丰富的可编程功能使其成为便携式数字音频应用的理想选择。电子工程师在设计相关产品时，可以充分利用PCM1870的这些特性，实现更好的音频效果和更低的功耗。你在使用PCM1870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。