Интересные микросхемы. Почем звук по USB?

Сегодня в цикле интересных микросхем цифро-аналоговый преобразователь, позволяющий получить стереозвук высокого качества с порта USB компьютера. Знакомьтесь, микросхема PCM2704 от американской компании Texas Instruments.

Общая информация

Микросхема представляет собой двухканальный ЦАП с входным интерфейсом USB любых версий кроме 1.0. Благодаря высокой тактовой частоте и частоте дискретизации чип позволяет получить на выходе аудиосигнал исключительно высокого качества с THD+N не более 0.025% для нагрузки 32 Ом (головные телефоны), а при работе на нагрузку 10 кОм (внешний УНЧ) – 0.006%.

Питаться микросхема может как от порта USB, так и от литиевого аккумулятора с номинальным напряжением 3.7 В. Разрядность ЦАП – 16. Частота дискретизации – 32, 44.1, 48 кГц. Управление громкостью кнопочное, предусмотрен режим «без звука». Есть выход с интерфейсом S/PDIF. Для обеспечения высокого качества звука микросхема дополнительно оснащена встроенным цифровым интерполяционным фильтром и аналоговым ФАПЧ. Тактовый генератор встроенный. При отключении от порта USB чип переходит в энергосберегающий режим.

Структурная схема PCM2704

Расположение и назначение выводов

Микросхема выпускается в корпусе SSOP и имеет 28 выводов. Расположение и назначение выводов следующее:

• 12 – AGNDL. Аналоговая земля УНЧ левого канала.
• 17 – AGNDR. Аналоговая земля УНЧ правого канала.
• 2 – CK. Тактовый вход для внешнего ПЗУ. Должен оставаться свободным.
• 9 – D +. Дифференциальный вход/выход данных USB.
• 8 – D -. Дифференциальный вход\выход данных USB.
• 6 – DGND. Цифровая земля.
• 5 – DOUT. Выход интерфейса S /PDIF.
• 3 – DT. Ввод/вывод данных для внешнего ПЗУ. Должен быть подтянут к питанию резистором.
• 22 – HID0/ МС. Клавиша отключения звука (активный высокий).
• 23 – HID1/ МС. Клавиша увеличения громкости.
• 24 – HID2/ МС. Клавиша уменьшения громкости.
• 21 – HOST. Выбор максимального тока потребления при питании от USB. Низкий – 100 мА, высокий – 500 мА.
• 19 – PGND. Аналоговая земля для ЦАП.
• 4 – PSEL. Выбор источника питания. Высокий – питание от USB, низкий – питание от аккумулятора 3.7 В.
• 27 – SSPND. Флаг приостановки работы (вывод).
• 26 – ТЕСТ0. Тестовый вывод. Должен быть подключен к шине питания.
• 25 – ТЕСТ1. Тестовый вывод. Должен быть подключен к шине питания.
• 10 – VBUS. Подключение питания от USB или батареи.
• 13 – VCCL. Аналоговое питание УНЧ левого канала.
• 20 – VCCP. Аналоговое питание ЦАП.
• 16 – VCCR. Аналоговое питание УНЧ правого канала.
• 18 – VCOM. Общее питание ЦАП и
• 7 – VDD. Цифровое питание.
• 14 – VOUTL. Аналоговый выход левого канала.
• 15 – VOUTR. Аналоговый выход правого канала.
• 28 – XTI. Вход для подключения кварцевого резонатора.
• 1 – XTO. Вход для подключения кварцевого резонатора или внешнего генератора.
• 11 – ZGND. Земля внутреннего модуля управления.

* При питании от USB уровень всех управляющих сигналов – ТТЛ.

Характеристики

А теперь давайте ознакомимся с основными электрическими характеристиками микросхемы PCM2704.

• Совместимость – USB 1.1 и выше.
• Напряжение питания – 3.0-6.5 В.
• Входной ток (любой вывод кроме выводов питания) – не более 10 мА.
• Тактовая частота – 12 МГц.
• Поддержка частоты дискретизации – 32, 44.1, 48 кГц.
• Максимальная выходная мощность при работе на наушники – 250 мВт.
• Разрешение ЦАП – 16 бит.
• Аудиоканалов – 2 (стерео).
• Полное гармоническое искажение + шум при Rн 32 Ом – 0.012%.
• Полное гармоническое искажение + шум при Rн 10 кОм – 0.006%.
• Динамический диапазон – 98 дБ.
• Отношение сигнал/шум – 98 дБ.
• Разделение каналов – 70 дБ.
• Ток потребления в режиме ожидания* – 120 мкА.
• Средний ток потребления при работе на наушники – 35 мА.
• Диапазон рабочих температур – -25…+85 °C.

* В режим ожидания микросхема переходит автоматически при отключении ее от порта USB.

Общие гармонические искажения+шум в зависимости от напряжения питания 

Схема подключения

Несмотря на большое количество выводов и кажущуюся сложность, схема подключения чипа относительно проста.

• X1: кварцевый резонатор с частотой 12 МГц;
• C1, C2: от 10 пФ до 33 пФ;
• C3-C7: керамические 1 мкФ;
• C8: электролитический 47 мкФ;
• C9, C10: электролитический 100 мкФ;
• C11, C12: керамические 0,022 мкФ;
• C13, C14: электролитические 100 мкФ;
• R1: 1 М;
• R2, R9: 1,5 к;
• R3, R4: 22 Ом;
• R5, R6: 16 Ом;
• R7, R8: 330 Ом (в зависимости от соотношения между требуемого соотношения THD и щелчков при включении).

На заметку. Микросхема TPA 200, через которую подключены наушники, представляет собой защиту от высоковольтных выбросов при ударе молнии и переходных процессах. Срабатывает при напряжении выше 62 В.

Вот, в принципе, и все о микросхеме, на базе которой можно построить USB колонки или наушники. Ну и в завершение хотелось бы отметить, что существуют микросхемы этой серии и с более продвинутым функционалом. PCM2706, к примеру, кроме всего вышеперечисленного умеет читать MP3 с флешки, и имеет клавиши смены треков. А PCM2707 может работать совместно с цифровым аудиопроцессором TAS300X по протоколам I²S / SPI и обеспечивает многополосную регулировку тембра и объемный звук