探索PCM1730：24位音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的卓越性能與應(yīng)用

在音頻處理領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的性能直接影響著音頻的質(zhì)量。今天，我們就來深入了解一款來自德州儀器（Texas Instruments）的24位、192 - kHz采樣的高級(jí)分段音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器——PCM1730。

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一、PCM1730概覽

PCM1730是一款采用CMOS技術(shù)的單片集成電路，集成了立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器和支持電路，封裝為小巧的28引腳SSOP。它利用德州儀器先進(jìn)的分段DAC架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了出色的動(dòng)態(tài)性能，并提高了對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的容忍度。

1. 主要特性

• 高分辨率：擁有24位分辨率，能夠提供細(xì)膩的音頻表現(xiàn)。
• 優(yōu)異的模擬性能：在(V_{CC}=5V)條件下，動(dòng)態(tài)范圍典型值達(dá)117dB，信噪比（SNR）典型值為117dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）典型值僅0.0004%，滿量程輸出（后置放大器處）為2.2 - Vrms。
• 靈活的輸出：提供差分電流輸出，為±2.48mA，方便用戶外部優(yōu)化模擬性能。
• 數(shù)字濾波：具備8倍過采樣數(shù)字濾波器，阻帶衰減為 - 82dB，通帶紋波為±0.002dB。
• 寬采樣頻率范圍：支持10kHz至200kHz的采樣頻率，系統(tǒng)時(shí)鐘可自動(dòng)檢測128、192、256、384、512或768 fs。
• 多數(shù)據(jù)格式支持：可接受16、20和24位音頻數(shù)據(jù)，支持標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對(duì)齊等數(shù)據(jù)格式。
• 其他特性：具備數(shù)字去加重、軟靜音功能，每個(gè)輸出都有零標(biāo)志，采用雙電源供電（模擬5V，數(shù)字3.3V），數(shù)字輸入5V容忍。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

PCM1730適用于多種音頻設(shè)備，如A/V接收器、DVD電影播放器、SACD播放器、HDTV接收器、汽車音頻系統(tǒng)、數(shù)字多軌錄音機(jī)等，滿足了對(duì)24位音頻有需求的各類應(yīng)用。

二、引腳功能與電氣特性

1. 引腳功能

2. 電氣特性

在(T{A}=25^{circ}C)，(V{CC}=5V)，(V{DD}=3.3V)，(f{S}=44.1kHz)，系統(tǒng)時(shí)鐘 = 256 fs和24位數(shù)據(jù)的條件下，PCM1730展現(xiàn)出了良好的電氣性能。例如，THD + N在不同采樣頻率下有不同表現(xiàn)，44.1kHz時(shí)典型值為0.0004%，96kHz時(shí)為0.0006%，192kHz時(shí)為0.0012%；動(dòng)態(tài)范圍和信噪比在不同采樣頻率下也能保持較高水平。

三、功能描述

1. 系統(tǒng)時(shí)鐘和復(fù)位功能

PCM1730需要系統(tǒng)時(shí)鐘來運(yùn)行數(shù)字插值濾波器和高級(jí)分段DAC調(diào)制器，系統(tǒng)時(shí)鐘通過SCKI輸入（引腳7）。它具備系統(tǒng)時(shí)鐘檢測電路，能自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)時(shí)鐘是否在128 fS至768 fS范圍內(nèi)。為獲得最佳性能，建議使用低相位抖動(dòng)和噪聲的時(shí)鐘源，如德州儀器的PLL1700多時(shí)鐘發(fā)生器。同時(shí)，它還擁有上電復(fù)位和外部復(fù)位功能，上電復(fù)位需系統(tǒng)時(shí)鐘在(V_{DD}=2V)之前至少活躍一個(gè)時(shí)鐘周期，初始化序列需要1024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘；外部復(fù)位可通過RST輸入（引腳1）實(shí)現(xiàn)，將RST引腳置為邏輯0至少20ns，再置為邏輯1啟動(dòng)初始化序列。

2. 音頻數(shù)據(jù)接口

• 音頻串行接口：由LRCK（引腳4）、BCK（引腳6）和DATA（引腳5）組成的3線同步串行端口。BCK用于將串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到音頻接口的串行移位寄存器，數(shù)據(jù)在BCK的上升沿被時(shí)鐘輸入；LRCK用于將串行數(shù)據(jù)鎖存到內(nèi)部寄存器，應(yīng)與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，若不同步，PCM1730可內(nèi)部補(bǔ)償相位差。
• 音頻數(shù)據(jù)格式和時(shí)序：支持標(biāo)準(zhǔn)右對(duì)齊、I2S和左對(duì)齊等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)音頻數(shù)據(jù)格式，通過FMT2、FMT1和FMT0引腳選擇。所有格式都要求二進(jìn)制補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)。

3. 其他功能

• 零檢測：當(dāng)檢測到左聲道或右聲道的音頻輸入數(shù)據(jù)連續(xù)1024 fS為零時(shí)，ZEROL或ZEROR引腳置為高。
• 軟靜音：當(dāng)MUTE引腳置為HIGH時(shí)，兩個(gè)模擬輸出以 - 0.5 - dB的步長逐步變?yōu)殡p極零電平，實(shí)現(xiàn)無噗聲靜音。
• 去加重：支持32kHz、44.1kHz、48kHz采樣頻率的去加重濾波性能，通過DEMP1和DEMP0引腳選擇。

四、模擬輸出與電路設(shè)計(jì)

1. 模擬輸出特性

DAC電流輸出引腳（IOUTL + 、IOUTL - 、IOUTR + 、IOUTR - ）在0dB（滿量程）時(shí)信號(hào)電平為±2.48 mAp - p。I/V轉(zhuǎn)換器的電壓輸出由(V{OUT }= pm 2.48 mAp - p × R{f})計(jì)算，其中(R{f})為I/V轉(zhuǎn)換電路中的反饋電阻。I/V轉(zhuǎn)換電路的公共電平必須與DAC IOUT的公共電平相同，通常由(V{COM2})參考電壓提供，典型值為2.48V dc。

2. 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• I/V轉(zhuǎn)換器運(yùn)放：推薦使用OPA627BP/BM或NE5534類型的運(yùn)放，以獲得指定的音頻性能。運(yùn)放的動(dòng)態(tài)性能（如增益帶寬、建立時(shí)間和壓擺率）會(huì)影響I/V部分的音頻動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)要考慮運(yùn)放的輸入噪聲規(guī)格以獲得120dB的信噪比。
• 平衡放大器：I/V轉(zhuǎn)換器后面是平衡放大器級(jí)，用于對(duì)每個(gè)聲道的差分信號(hào)求和，形成單端電壓輸出，并提供二階低通濾波功能，截止頻率為45kHz，增益為1，每個(gè)聲道的輸出電壓為6.2Vp - p或2.2Vrms。
• 參考電流電阻：從IREF（引腳21）到模擬地連接的電阻(R_{1})必須為16kΩ ± 1%，以匹配規(guī)格表中指定的增益誤差。

五、應(yīng)用電路考慮

1. PCB布局指南

建議使用接地平面，將模擬和數(shù)字部分通過電路板上的分割或切口相互隔離。PCM1730的數(shù)字I/O引腳應(yīng)朝向接地平面分割/切口，以便與數(shù)字音頻接口和控制信號(hào)進(jìn)行短而直接的連接。同時(shí)，數(shù)字和模擬部分應(yīng)使用單獨(dú)的電源，若使用公共5V電源，應(yīng)在模擬和數(shù)字5V電源連接之間放置電感（RF扼流圈、鐵氧體磁珠），以避免數(shù)字開關(guān)噪聲耦合到模擬電路中。

2. 旁路和去耦電容要求

使用各種尺寸的去耦電容，無需特殊公差，所有電容應(yīng)盡可能靠近PCM1730的相應(yīng)引腳，以減少周圍電路的噪聲拾取。較大值的電容推薦使用專為高保真音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的鋁電解電容，較小值的電容使用金屬膜或單片陶瓷電容。

3. I/V部分設(shè)計(jì)

I/V轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)放IC和反饋電阻應(yīng)實(shí)現(xiàn)PCM1730的優(yōu)異性能。為獲得0.0004% THD + N、117dB信噪比的音頻性能，需考慮運(yùn)放IC的THD + N和輸入噪聲性能，PCM1730的IOUT - 引腳和I/V放大器的反相輸入應(yīng)短距離連接。

4. 后置LPF設(shè)計(jì)

由于高性能數(shù)字濾波器和高級(jí)分段DAC架構(gòu)的結(jié)合，帶外噪聲水平和衰減采樣頻譜水平遠(yuǎn)低于典型的delta - sigma型DAC。建議使用二階或三階后置LPF作為PCM1730的后置濾波器，其截止頻率取決于應(yīng)用的采樣率。

六、總結(jié)

PCM1730憑借其高分辨率、優(yōu)異的模擬性能、靈活的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為音頻處理領(lǐng)域一款極具競爭力的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在設(shè)計(jì)音頻電路時(shí)，工程師們需要充分考慮其引腳功能、電氣特性和應(yīng)用電路要點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的音頻性能。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。