剖析PCM1604/PCM1605：6通道24位音频数模转换器的卓越性能与应用

在音频处理领域，数模转换器（DAC）扮演着至关重要的角色，它将数字音频信号转换为模拟音频信号，直接影响着音频的质量和性能。今天，我们就来深入探讨PCM1604和PCM1605这两款6通道24位音频数模转换器，看看它们有哪些独特之处。

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一、产品概述

PCM1604和PCM1605是采用CMOS工艺的单片集成电路，它们在一个小巧的QFP - 48封装中集成了六个24位音频数模转换器及相关支持电路。这两款芯片利用Burr - Brown的增强型多级∆ - ∑架构，采用4阶噪声整形和8级幅度量化技术，实现了出色的信噪比性能，并且对时钟抖动具有较高的容忍度。它们能够接受16 - 24位的行业标准音频数据格式，支持最高200kHz的采样率，还可通过4线串行控制端口访问一系列用户可编程功能，包括寄存器读写操作。

二、产品特性

2.1 引脚兼容性与分辨率

PCM1604和PCM1605与PCM1600、PCM1601引脚兼容，具备24位分辨率，为音频信号的转换提供了高精度的保障。

2.2 模拟性能

• 动态范围：典型值为105dB，能够清晰地还原音频信号的细节。
• 信噪比（SNR）：典型值为104dB，有效减少了噪声干扰，提升了音频的纯净度。
• 总谐波失真加噪声（THD + N）：典型值为0.0018%，确保了音频信号的高质量转换。
• 满量程输出：典型值为3.1Vp - p，满足不同音频系统的输出需求。

2.3 过采样插值滤波器

采用8倍过采样插值滤波器，阻带衰减达到 - 82dB，通带纹波仅为±0.002dB，有效抑制了高频噪声，提高了音频信号的质量。

2.4 采样频率与数据格式

支持10kHz至200kHz的采样频率，可接受16、18、20和24位的音频数据，数据格式包括标准、I2S和左对齐格式，具有很强的兼容性。

2.5 系统时钟

系统时钟支持128/192/256/384/512/768fS多种选择，为不同的音频系统提供了灵活的时钟配置。

2.6 用户可编程功能

• 数字衰减：范围从0dB到 - 63dB，步长为0.5dB，可根据实际需求调整音频信号的强度。
• 软静音：可实现静音功能，方便音频系统的控制。
• 零检测静音：当检测到零数据时自动静音，避免不必要的噪声输出。
• 数字去加重：可对音频信号进行去加重处理，改善音频质量。
• 数字滤波器滚降：支持尖锐或缓慢滚降两种模式，满足不同的音频处理需求。

2.7 电源与封装

采用双电源供电，模拟电源为 + 5V，数字电源为 + 3.3V，5V容忍数字逻辑输入。提供LQFP - 48（PCM1604）和MQFP - 48（PCM1605）两种封装形式，方便不同的应用场景。

三、应用领域

PCM1604和PCM1605广泛应用于各种音频系统，包括集成A/V接收器、DVD电影和音频播放器、HDTV接收器、汽车音频系统、高端PC的DVD附加卡、数字音频工作站以及其他多通道音频系统等。

四、技术参数详解

4.1 分辨率与数据格式

• 分辨率：固定为24位，确保了高精度的音频转换。
• 数据格式：用户可选择标准、I2S和左对齐格式，数据位长度可选择16、18、20和24位，音频数据采用MSB - First、二进制补码格式。

4.2 采样频率与系统时钟

• 采样频率：范围为10kHz至200kHz，满足不同音频应用的需求。
• 系统时钟频率：支持128、192、256、384、512、768fS多种选择，为音频处理提供了灵活的时钟配置。

4.3 数字输入/输出

• 逻辑家族：与TTL兼容，输入逻辑电平VIH为2.0V，VIL为0.8V，输入逻辑电流在不同条件下有明确规定。
• 输出逻辑电平：VOH在IOH = - 4mA时为2.4V，VOL在IOL = + 4mA时为1.0V。

4.4 动态性能

• THD + N：在不同采样频率和输出电平下有不同的表现，如在fS = 44.1kHz、VOUT = 0dB时，典型值为0.0018%。
• 动态范围：EIAJ、A加权下，fS = 44.1kHz时典型值为105dB。
• 信噪比：EIAJ、A加权下，fS = 44.1kHz时典型值为104dB。
• 通道分离度：fS = 44.1kHz时典型值为96dB。

4.5 直流精度

• 增益误差：±1.0% of FSR，确保了音频信号的增益准确性。
• 增益失配：通道间±1.0% of FSR，保证了各通道之间的一致性。
• 双极性零误差：VO = 0.5VCC时为±30mV，提高了音频信号的零点准确性。

4.6 模拟输出

• 输出电压：满量程（0dB）为62% of VCC Vp - p，中心电压为50% VCC V。
• 负载阻抗：交流负载为5kΩ，确保了音频信号的稳定输出。

4.7 数字滤波器性能

• 尖锐滚降：通带±0.002dB， - 3dB点为0.490fS Hz，阻带衰减在不同频率下有明确规定。
• 缓慢滚降：通带±0.002dB， - 3dB点为0.454fS Hz，阻带衰减在0.732fS时为 - 82dB。
• 延迟时间：34/fS sec，去加重误差为±0.1dB。

4.8 模拟滤波器性能

在不同频率下，如f = 20kHz时，频率响应为 - 0.03dB；f = 44kHz时，频率响应为 - 0.20dB，保证了音频信号的频率特性。

4.9 电源要求

• 电压范围：VDD为 + 3.0至 + 3.6V，VCC为 + 4.5至 + 5.5V。
• 电源电流：在不同采样频率下有不同的表现，如fS = 44.1kHz时，IDD典型值为28mA，ICC典型值为56mA。
• 功耗：fS = 44.1kHz时典型值为409mW。

4.10 温度范围

• 工作温度： - 25°C至 + 85°C，确保了芯片在不同环境下的稳定工作。
• 存储温度： - 55°C至 + 125°C，提高了芯片的可靠性。

五、引脚配置与功能

PCM1604和PCM1605的引脚配置详细明确，每个引脚都有其特定的功能。例如，ZERO1 - 6/GPO1 - 6可作为零数据标志或通用输出引脚；VOUT1 - 6为音频信号电压输出引脚；SCKI为系统时钟输入引脚；SCKO为缓冲时钟输出引脚等。通过合理的引脚连接和配置，可以实现芯片的各项功能。

六、典型性能曲线分析

6.1 数字滤波器性能曲线

展示了不同滚降模式下的频率响应、通带纹波等特性，帮助工程师了解滤波器的性能，选择合适的滤波模式。

6.2 模拟动态性能曲线

包括THD + N、动态范围、信噪比、通道分离度等与电源电压和温度的关系曲线，为工程师在不同电源和温度条件下的设计提供参考。

七、系统时钟与复位功能

7.1 系统时钟输入

PCM1604和PCM1605需要系统时钟来驱动数字插值滤波器和多级∆ - ∑调制器。系统时钟通过SCKI输入，不同的音频采样率对应不同的系统时钟频率。为了获得最佳性能，建议使用低相位抖动和噪声的时钟源，如Burr - Brown的PLL1700多时钟发生器。当以192kHz采样频率工作时，建议仅启用两个通道（VOUT1和VOUT2），并将控制寄存器8的DAC3至DAC6位设置为逻辑1以禁用其余四个通道。

7.2 系统时钟输出

SCKO输出提供了系统时钟输入的缓冲版本，可工作在全速率（fSCKI）或半速率（fSCKI / 2）。通过控制寄存器9的CLKD位可编程SCKO输出频率，通过CLKE位可启用或禁用SCKO输出，默认情况下SCKO是启用的。

7.3 电源上电和外部复位功能

• 电源上电复位：系统时钟输入在VDD = 2.0V之前应至少有一个时钟周期处于活动状态。当系统时钟活动且VDD > 2.0V时，上电复位功能将被启用，初始化序列需要从VDD > 2.0V开始的1024个系统时钟周期。初始化完成后，PCM1604将设置为复位默认状态。
• 外部复位：通过RST输入（引脚37）可实现外部复位功能。正常操作时，RST应设置为逻辑‘1’。当RST引脚设置为逻辑‘0’至少20ns，然后设置为逻辑‘1’时，将启动初始化序列，持续1024个系统时钟周期，完成后PCM1604将设置为复位默认状态。外部复位在PCM1604上电和系统时钟激活之间存在延迟的应用中特别有用。

八、音频串行接口

PCM1604的音频串行接口由5线同步串行端口组成，包括LRCK、BCK、DATA1、DATA2和DATA3。BCK是串行音频位时钟，用于将DATA1、DATA2和DATA3上的串行数据时钟输入到音频接口的串行移位寄存器中，数据在BCK的上升沿时钟输入。LRCK是串行音频左右字时钟，用于将串行数据锁存到串行音频接口的内部寄存器中。LRCK和BCK必须与系统时钟同步，理想情况下，建议从系统时钟输入或输出（SCKI或SCKO）派生。LRCK以采样频率（fS）运行，BCK可以以48或64倍的采样频率运行。

九、音频数据格式与定时

PCM1604支持标准、I2S和左对齐等行业标准音频数据格式，通过控制寄存器9的格式位FMT[2:0]选择，默认数据格式为24位标准格式。所有格式都要求二进制补码、MSB - First的音频数据。DATA1、DATA2和DATA3各自携带两个音频通道（左声道和右声道），左声道数据总是在串行数据流中先于右声道数据。

十、串行控制接口

串行控制接口是一个4线同步串行端口，与串行音频接口异步操作，用于对片上模式寄存器进行编程和读取。它包括MDO（串行数据输出）、MDI（串行数据输入）、MC（串行位时钟）和ML（控制端口锁存时钟）。通过合理的操作和配置，可以实现对芯片各项功能的控制。

十一、寄存器操作

11.1 寄存器写操作

所有串行控制端口的写操作使用16位数据字，通过设置Read/Write（R/W）位为‘0’表示写操作，IDX[6:0]设置寄存器索引，D[7:0]包含要写入寄存器的数据。

11.2 单寄存器读操作

读操作使用16位控制字格式，将Read/Write（R/W）位设置为‘1’，忽略IDX[6:0]，使用Control Register 11的REG[6:0]位设置要读取的寄存器索引。

11.3 自动增量读操作

通过将Control Register 11的INC位设置为‘1’，可启用自动增量读功能，实现多个寄存器的顺序读取。

十二、控制接口定时要求

串行控制接口的定时要求非常关键，包括MC脉冲周期时间、MC高低电平时间、ML高低电平时间、ML下降沿到MC上升沿的延迟、ML保持时间等参数，这些参数直接影响控制端口的正常运行。

十三、模式控制寄存器

PCM1604包含多个用户可编程的模式控制功能，通过控制寄存器进行编程。这些功能包括数字衰减控制、软静音控制、DAC操作控制、音频数据格式控制、数字滤波器滚降控制等，每个功能都有其复位默认条件和对应的寄存器索引。

PCM1604和PCM1605以其卓越的性能、丰富的功能和广泛的应用领域，为音频系统的设计提供了强大的支持。作为电子工程师，在设计音频系统时，充分了解和利用这两款芯片的特性和功能，将有助于设计出高质量、高性能的音频产品。大家在实际应用中，是否遇到过一些与这两款芯片相关的问题呢？欢迎在评论区分享交流。