探索PCM1750：高性能18位音頻ADC的技術(shù)剖析

在音頻處理領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。PCM1750作為一款低功耗、高性能的雙18位CMOS音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器，為音頻應(yīng)用帶來(lái)了卓越的性能和設(shè)計(jì)靈活性。本文將深入剖析PCM1750的特性、工作原理、技術(shù)規(guī)格以及實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

高性能轉(zhuǎn)換能力

PCM1750具備雙18位低功耗CMOS音頻A/D轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換時(shí)間快至4.5μs（含采樣保持）。在無(wú)需外部調(diào)整的情況下，其總諧波失真加噪聲（THD + N）極低，可達(dá) - 88dB，能有效還原音頻信號(hào)的純凈度。

集成功能完善

芯片內(nèi)部集成了參考電壓和雙采樣保持功能，擁有兩路同相采樣的±2.75V音頻輸入。同時(shí)，它能夠?qū)崿F(xiàn)每通道4倍過(guò)采樣率，運(yùn)行于±5V電源，最大功耗僅300mW，采用緊湊的28引腳塑料DIP或SOIC封裝，節(jié)省電路板空間。

二、工作原理深度解析

整體架構(gòu)

PCM1750是一款專為數(shù)字音頻等應(yīng)用設(shè)計(jì)的雙18位逐次逼近型CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用3μ P - well CMOS工藝制造，包含多晶硅 - 多晶硅電容器、激光可微調(diào)的鎳鉻電阻和兩層互連金屬。其雙轉(zhuǎn)換器采用開(kāi)關(guān)電容架構(gòu)，為每個(gè)輸入通道提供獨(dú)立的采樣保持功能，實(shí)現(xiàn)同相采樣，避免了因不同時(shí)采樣兩個(gè)輸入通道而產(chǎn)生的相位誤差。

采樣模式

每次轉(zhuǎn)換后，雙ADC返回采樣模式以跟蹤輸入信號(hào)。在此模式下，開(kāi)關(guān)處于特定狀態(tài)，C1既用于采樣和存儲(chǔ)輸入信號(hào)VIN，又是電容式數(shù)模轉(zhuǎn)換器（CDAC）的最高有效位（MSB）。通過(guò)自動(dòng)調(diào)零周期，可消除比較器的1/f噪聲和直流輸入失調(diào)電壓。

逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程

轉(zhuǎn)換過(guò)程由轉(zhuǎn)換命令（CONVERT）和時(shí)鐘信號(hào)（CLK）控制，這些信號(hào)來(lái)自可選數(shù)字濾波器的256fs時(shí)鐘。在轉(zhuǎn)換命令的上升沿，多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，包括終止比較器自動(dòng)調(diào)零周期、將兩個(gè)轉(zhuǎn)換器切換到保持模式以捕獲輸入信號(hào)的瞬時(shí)值。19位移位寄存器控制雙ADC的位測(cè)試，從MSB開(kāi)始逐位進(jìn)行，根據(jù)比較器的反饋決定是否保留該位，最終使比較器輸入接近零電位。

差分線性校準(zhǔn)

PCM1750的校準(zhǔn)與多晶硅 - 多晶硅電容器的特性密切相關(guān)。由于未校準(zhǔn)的多晶硅電容器的比率匹配約為0.1%，而16位級(jí)別的差分線性誤差（DLE）要求更顯著位的比率匹配約為0.001%，因此需要進(jìn)行一次性工廠校準(zhǔn)。此外，由于其出色的溫度穩(wěn)定性，在溫度極端情況下無(wú)需重新校準(zhǔn)。

TDAC操作

TDAC（微調(diào)DAC）在晶圓級(jí)進(jìn)行激光微調(diào)。以位1為例，開(kāi)關(guān)S1T在兩個(gè)電壓電平之間操作，產(chǎn)生的校正電壓通過(guò)電容C1T耦合到比較器的負(fù)輸入。CDAC和TDAC的開(kāi)關(guān)同時(shí)操作，確保每個(gè)位的校正電壓與位決策一致。

三、技術(shù)規(guī)格詳細(xì)解讀

分辨率與動(dòng)態(tài)范圍

PCM1750的理論分辨率為18位，對(duì)應(yīng)262,144個(gè)輸出代碼，動(dòng)態(tài)范圍通常為90dB，最小值為88dB（音頻帶寬20Hz - 24kHz，fIN = 1kHz，fS = 192kHz）。

模擬輸入范圍

模擬輸入范圍為雙極性±2.75V，輸出編碼采用二進(jìn)制補(bǔ)碼。輸入輸出關(guān)系在表格和圖形中明確展示，同時(shí)要注意偏移和增益誤差會(huì)隨溫度和電源電壓變化。

采樣保持參數(shù)

• 孔徑延遲：從采樣模式切換到保持模式所需的時(shí)間，典型值為10ns，且保持恒定。
• 孔徑不確定性（抖動(dòng)）：影響轉(zhuǎn)換器的整體精度，在輸入信號(hào)頻率超過(guò)97kHz或期望信噪比大于15位時(shí)，孔徑抖動(dòng)會(huì)成為影響因素。
• 輸入帶寬：全功率帶寬典型值為500kHz，在寬帶操作中可利用欠采樣技術(shù)將帶限信號(hào)下變頻到轉(zhuǎn)換器的基帶。

數(shù)字I/O與定時(shí)

• 邏輯兼容性：數(shù)字邏輯與CMOS兼容，數(shù)字輸出能夠驅(qū)動(dòng)至少兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)TTL輸入負(fù)載。
• 轉(zhuǎn)換命令和外部時(shí)鐘輸入：轉(zhuǎn)換命令的正邊沿觸發(fā)轉(zhuǎn)換，典型脈沖寬度為81ns（192kHz采樣率）。外部時(shí)鐘輸入為正邊沿觸發(fā)，對(duì)占空比無(wú)嚴(yán)格要求，但需注意避免快速邏輯邊沿引起的邏輯串?dāng)_。
• 時(shí)鐘鎖定：PCM1750在正常操作所需的19個(gè)時(shí)鐘之后，會(huì)通過(guò)內(nèi)部邏輯屏蔽多余的時(shí)鐘，直到下一個(gè)轉(zhuǎn)換命令的正邊沿。

信噪比與THD + N

• 信噪比（SNR）：在192kHz采樣率下，對(duì)滿量程1kHz信號(hào)進(jìn)行FFT測(cè)量，使用可選的DF1750數(shù)字抽取濾波器可將轉(zhuǎn)換器噪聲分散到0Hz - 96kHz通帶，并通過(guò)數(shù)字濾波器的阻帶衰減抑制噪聲，有效提高SNR 6dB。
• 總諧波失真加噪聲（THD + N）：在不同輸入信號(hào)電平和采樣率下，PCM1750的THD + N表現(xiàn)優(yōu)異，體現(xiàn)了其良好的音頻信號(hào)處理能力。

四、實(shí)際應(yīng)用注意事項(xiàng)

電源供應(yīng)

確保電源電壓在規(guī)定范圍內(nèi)（±4.75V - ±5.25V），注意電源的穩(wěn)定性，以減少電源噪聲對(duì)轉(zhuǎn)換器性能的影響。

時(shí)鐘信號(hào)

選擇合適的時(shí)鐘源，避免快速邏輯邊沿對(duì)模擬階段的干擾?？墒褂每蛇x的DF1750數(shù)字濾波器提供合適的時(shí)鐘信號(hào)，或在轉(zhuǎn)換命令線上使用外部RC電路來(lái)減慢快速邏輯邊沿。

抗混疊濾波

雖然PCM1750的過(guò)采樣功能可降低對(duì)高階抗混疊輸入濾波的需求，但仍需根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的抗混疊濾波器，以確保音頻信號(hào)的質(zhì)量。

五、總結(jié)

PCM1750以其高性能、集成度高和設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)勢(shì)，成為音頻應(yīng)用中模數(shù)轉(zhuǎn)換的理想選擇。通過(guò)深入了解其工作原理和技術(shù)規(guī)格，電子工程師可以更好地利用該芯片的特性，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的音頻處理系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，注意電源、時(shí)鐘和濾波等方面的問(wèn)題，能夠充分發(fā)揮PCM1750的性能，為音頻產(chǎn)品帶來(lái)更出色的表現(xiàn)。你在使用PCM1750的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。