探索WM8940：低功耗单声道编解码器的卓越之选

在当今便携式设备市场蓬勃发展的背景下，对高性能、低功耗音频编解码器的需求日益增长。Wolfson Microelectronics的WM8940单声道编解码器，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为了众多便携式应用的理想选择。本文将深入剖析WM8940的特性、工作原理及应用场景，为电子工程师们提供全面的技术参考。

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1. 概述

WM8940是一款专为便携式应用设计的低功耗、高品质单声道编解码器，适用于如数码相机、摄像机等设备。它集成了对差分或单端麦克风的支持，配备扬声器或耳机驱动器以及单声道线路输出，减少了对外部组件的需求，有效节省了电路板空间。

2. 关键特性

2.1 音频性能

• 采样率广泛：支持8kHz、11.025kHz、16kHz、22.05kHz、24kHz、32kHz、44.1kHz和48kHz等多种音频采样率，能满足不同应用场景的需求。
• 高信噪比与低失真：DAC信噪比达98dB，THD为 -84dB（‘A’ - 加权 @ 8 – 48ks/s）；ADC信噪比为94dB，THD为 -80dB（‘A’ - 加权 @ 8 – 48ks/s），确保了高品质的音频输出。
• 强大的驱动能力：片上耳机/扬声器驱动器可提供40mW输出功率（16Ω负载），BTL扬声器驱动可输出0.4W（8Ω负载），还具备额外的单声道线路输出。

2.2 输入输出配置

• 灵活的麦克风接口：支持差分或单端麦克风输入，可编程前置放大器增益，具备伪差分输入和共模抑制功能，ADC路径中还设有可编程ALC/噪声门。
• 辅助输入：提供单声道辅助输入（AUX），可用于输入警告音等信号，输出可与单声道输出和/或扬声器输出路径混合。

2.3 数字处理功能

• 先进的滤波器：采用高级Sigma - Delta转换器以及数字抽取和插值滤波器，在8 - 48ks/s采样率下提供高质量音频。ADC路径中设有可选的高通滤波器和四个完全可编程的陷波滤波器，可有效减少特定噪声源的影响。
• 数字播放限制器：可对音频播放进行限制，防止音频信号过载。

2.4 时钟与电源管理

• 片上PLL：可根据外部参考时钟生成所需的主时钟，PLL时钟也可输出供系统其他部分使用。
• 低功耗设计：工作电压范围为2.5 - 3.6V，数字电源可低至1.71V以节省功耗，芯片的不同部分可通过软件控制进行断电。

3. 引脚配置与电气特性

3.1 引脚配置

WM8940采用4x4mm QFN封装，共有24个引脚，涵盖了模拟电源、数字电源、音频输入输出、控制接口等多种功能引脚。具体引脚功能如下：	PIN	NAME	TYPE	DESCRIPTION
1	MICBIAS	Analogue Output	麦克风偏置
2	AVDD	Supply	模拟电源
3	AGND	Supply	模拟地
4	DCVDD	Supply	数字电源（核心）
5	DBVDD	Supply	数字电源（输入/输出）
6	DGND	Supply	数字地
7	ADCDAT	Digital Output	ADC数字音频数据输出
8	DACDAT	Digital Input	DAC数字音频数据输入
9	FRAME	Digital Input / Output	DAC和ADC采样率时钟或帧同步
10	BCLK	Digital Input / Output	数字音频端口时钟
11	MCLK	Digital Input	主时钟输入
12	CSB/GPIO	Digital Input / Output	3线控制接口芯片选择或GPIO引脚
13	SCLK	Digital Input	3线控制接口时钟输入 / 2线控制接口时钟输入
14	SDIN	Digital Input / Output	3线控制接口数据输入 / 2线控制接口数据输入
15	MODE / GPIO	Digital Input	控制接口模式选择引脚或GPIO引脚
16	MONOOUT	Analogue Output	单声道输出
17	SPKOUTP	Analogue Output	扬声器输出正端
18	SPKGND	Supply	扬声器地
19	SPKOUTN	Analogue Output	扬声器输出负端
20	SPKVDD	Supply	扬声器电源
21	AUX	Analogue Input	辅助模拟输入
22	VMID	Reference	中轨参考电压去耦
23	MICN	Analogue Input	麦克风负输入（共模）
24	MICP	Analogue Input	麦克风正输入

3.2 电气特性

在典型测试条件下（DCVDD = 1.8V，AVDD = DBVDD = 3.3V，SPKVDD = 3.3V，TA = +25°C，1kHz信号，fs = 48kHz，24位音频数据），WM8940展现出了出色的电气性能，如麦克风输入的PGA增益范围、ADC和DAC的信噪比、总谐波失真等参数都表现优异。

4. 工作原理

4.1 输入信号路径

WM8940具有三个灵活的模拟输入：两个麦克风输入和一个辅助输入。输入信号在ADC之前经过一个灵活的PGA模块，然后进入增益提升/混合器阶段。

• 麦克风输入：支持单端和差分输入配置，输入通过MICN、MICP和可选的AUX引脚，经过输入PGA进行放大。
• 辅助输入：辅助输入电路可配置为反相缓冲器或混合器，通过外部电阻可实现多个输入信号的混合。
• 输入提升：输入提升电路有三个可选输入，可对输入信号进行增益调整。

4.2 模数转换器（ADC）

采用多位高阶过采样架构的ADC，有效降低了抖动和高频噪声的影响。ADC满量程输入电平与AVDD成正比，通过数字滤波器将原始多位过采样数据转换为正确的采样频率。ADC还具备可选的高通滤波器和可编程陷波滤波器，可对音频信号进行进一步处理。

4.3 数模转换器（DAC）

Hi - Fi DAC提供高质量的音频回放，适用于各种便携式单声道音频应用。数字音频数据在片上24位数字插值滤波器中转换为过采样比特流，再通过多位Sigma - Delta DAC转换为高质量模拟音频信号。DAC还具备软静音、自动静音和输出限制器等功能。

4.4 输出信号路径

输出信号路径包括数字应用滤波器、上采样滤波器、Hi - Fi DAC、模拟混合器、扬声器和单声道输出驱动器。DAC输出可与AUX模拟输入和ADC模拟输入混合，然后输出到扬声器和单声道输出。

5. 控制接口与时钟方案

5.1 控制接口

WM8940支持2线或3线控制接口，通过MODE引脚选择控制模式。在2线模式下，仅支持从操作，设备地址固定为0011010；在3线模式下，MODE引脚可作为GPIO使用。

5.2 时钟方案

WM8940提供正常的音频DAC时钟方案，也可使用片上PLL根据外部时钟生成内部主时钟频率。PLL的频率比可通过寄存器位PLLK和PLLN进行设置。

6. 应用场景

WM8940适用于多种便携式应用，如数码相机、摄像机等，为这些设备提供高品质的音频录制和回放功能。其低功耗、高性能的特点，使得设备在保证音频质量的同时，延长了电池续航时间。

7. 总结

WM8940单声道编解码器以其丰富的功能、出色的音频性能和低功耗特性，为便携式音频应用提供了一个强大而可靠的解决方案。电子工程师们在设计相关产品时，可以充分利用WM8940的优势，打造出更加优质的音频设备。在实际应用中，还需根据具体需求合理配置寄存器，优化电路设计，以实现最佳的音频效果。你在使用WM8940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。