4位Δ-Σ结构音频AD转换器CS5361的性能特点和应用电路分析
1、cs5361的主要特性
cs5361是crystal公司推出的114db､192khz数据输出率的24位δ-σ结构音频ad转换器，其主要特性如下：
●采用多位δ-σ结构;
●具有24位转换精度;
●114 db动态范围;
●总谐波失真+噪声优于-105 db;
●系统采样率高达192khz;
●功耗小于150mw;
●内部带有高通滤波电路或直流失调电压标定电路;
●内带线性相移数字抗混滤波器;
●支持5v到2.5v逻辑电平;
●采用差动输入结构;
●具有溢出检测功能;
●采用24脚soic或tssop封装形式｡
cs5361是供数字音频系统使用的完整的模数转换器，可完成采样､模数转换､抗混滤波等功能，并最终产生以串行模式输出的､对应于左右两个输入通道信号的24位采样数据，而且其最高数据输出率可高达192khz｡
cs5361芯片采用具有优良噪声抑制能力的差动输入结构，并采用5阶多位δ-σ调制器，同时带有数字滤波器和抽样器，从而避免了需要外部抗混滤波器的麻烦｡
2、cs5361的引脚排列及功能
cs5361采用24脚soic或tssop封装，引脚排列图如图1所示｡芯片内部结构图如图2所示｡各引脚的功能如下：
rst：低功耗模式选择端，低电平有效;
m/ s：主､从模式选择引脚，该脚为低电平时，芯片为从工作模式;
lrck：该端可用于决定当前串行数据属于左通道还是右通道;
sclk：串行移位时钟端口;
mclk：调制器和数字滤波器的时钟源;
vd：芯片数字电源;
gnd：地参考，必须与模拟地相连;
vl：数字输入输出部分电源;
sdout：串行数据信号输出端;
mdiv：时钟分频端，该脚为高电平时，主时钟被2分频;
hpf：高通滤波器允许端，该脚为低电平时，高通滤波器工作;
i2s/lj：数据输出格式选择端，该脚为高电平时，输出格式为i2s，否则为左对齐输出格式;
m0､m1：操作模式选择端;
ovfl：左右通道溢出指示脚;
ainl+，ainl-，ainr+，ainr-：分别为左右通道模拟信号的+､-输入端;
va：+5v模拟电源输入端;
vq：内部静态参考电压，使用时应连接滤波器;
refgnd：内部采样电路参考地;
filt+：内部采样电路参考电压｡
3、基本工作原理
cs5361转换器工作时，应根据工作的具体需要确定工作模式､操作模式､输出格式､高通滤波模式等工作参数，下面分别介绍这些参数的意义及设置方式｡
3.1 操作模式及采样率范围选择
cs5361转换器的m1､m0引脚状态可用于决定芯片的操作模式，通过设置适当的操作模式，可使cs5361的输出采样率（fs）在2khz到192khz之间进行选择｡每种操作模式对应的采样率范围如表1所列｡
对于每种操作模式，芯片的性能可能略有差异，例如，工作在单速模式时，cs5361的数字滤波器的通带为0~0.47fs，阻带大于0.58fs，阻带衰减优于95db，滤波器群延时为12/fs（s）;工作在倍速模式时，cs5361的数字滤波器的通带为0~0.45fs，阻带大于0.68fs，阻带衰减优于92db，滤波器群延时为9/fs（s）;工作在四速模式时，cs5361的数字滤波器的通带为0~0.24fs，阻带大于0.78fs，阻带衰减优于97db，滤波器群延时为5/fs（s），因此，应根据实际需要适当选择cs5361的操作模式｡
3.2 系统时钟mclk和mdiv状态
当cs5361的操作模式确定后，系统时钟和mdiv的状态将决定具体的输出采样率（fs）､左右通道时钟lrck和串行移数时钟频率（sclk）｡
对于单速模式，其采样率范围为2~48khz，因此，当mdiv为0时， mclk的范围应为512khz~12288khz;而当mdiv为1时， mclk的范围应为1024khz~24576khz;
对于倍速模式，采样率范围为48~96khz，故在mdiv为0时， mclk的范围应为6144khz~12288khz;为1时mclk的范围应为12288khz~24576khz;
对于四速模式，由于其采样率范围为96~192khz因此，当mdiv为0时，mclk的范围应为6144 khz~12288khz;而当mdiv为1时， mclk的范围则应为12288khz~24576khz｡
3.3 主从模式设置
通过设置芯片的第2脚为高电平可使cs5361进入主模式，反之进入从模式｡主从模式的区别在于进入主模式时，lrck､sclk为输出信号？而在从模式时，lrck､sclk为输入信号，并应保证lrck､sclk与mclk同步，同时应使lrck=fs､sclk=64fs，否则将影响器件性能的发挥｡设计主从模式的目的在于，多片adc同步工作时，可以使其中的一片工作于主模式，其它工作于从模式，从模式adc的lrck､sclk来自于主模式的adc，这样可保证多片adc的同步工作｡
3.4 高通滤波器和直流偏移标定
由于cs5361转换器内部集成有数字高通滤波器｡因此，可通过控制该芯片hpf引脚的状态来控制高通滤波器的工作状况，具体的方法是：当hpf为0时，内部高通滤波器将连续记录通道内的低频信号，并从抽样滤波器中滤除低于转折频率的低频信号，从而实现高通滤波功能｡此时高通滤波器的转折频率为1hz，高通滤波器的建立时间为105/fs（s）;而当hpf为1时，高通滤波器记录的低频信号被冻结，并连续地从抽样滤波器中被扣除，从而实现直流偏移校正功能｡与cs5361相连的模拟通道在工作时，可能会产生小的直流偏移，从而影响cs5361性能的发挥｡因此，可以利用cs5361内部集成的数字高通滤波器将直流偏移校正掉，现将其工作过程说明如下：
（1） 开通高通滤波器，等待至少105/fs秒的时间以建立高通滤波功能;
（2） 高通滤波器建立后，禁止高通滤波器工作，冻结直流偏移值，此时芯片的输出即为去掉直流偏移后的数据｡
应当说明的是：在此过程中，应始终保持cs5361处在正常工作状态｡如果cs5361进入低功耗模式，那么高通滤波器中冻结的直流偏移值将被复位，此时若想实现直流偏移校正功能，则必须重复上述过程｡
3.5 数据输出格式控制
cs5361的数据输出格式有左对齐格式和i2s格式｡通过控制i2s/lj脚的状态可以选择数据的输出格式｡
当i2s/lj为0时，数据输出格式为左对齐格式;当i2s/lj为1时，数据输出格式为i2s格式｡两种格式的时序图如图3所示｡
4、应用
同其它高精度ad转换器一样，cs5361在实际应用时，也应特别注意地线和电源线的布线｡设计时必须为va和vl提供干净的电源，当用vd给cs5361内部的数字滤波器供电时，可以通过一个电阻从va上获取，也可以直接与系统的逻辑电源相连｡而如果vd从va上获取，则必须保证vd不再给其它数字电路供电｡电源退耦电容必须尽可能靠近cs5361，而且应使小容量的电容更靠近adc｡所有信号，特别是时钟信号必须远离filt+和vq引脚，接在filt+和vq上的退耦电容必须放在与refgnd最近的位置｡为了减小数字信号干扰，adc的数字输出应该只驱动cmos输入端｡图4是cs5361的典型应用电路连接图｡
由于adc只以有限频率采样模拟信号，因此，高于一定频率的信号可能会引起假频信号｡另外，由于adc的输入阻抗有限，因此，在输入端还应加一定带宽的阻抗匹配电路，以改善adc的性能｡
由于adc参考电压的源阻抗以及外部滤波电容的影响，系统上电后，必须经过一段时间，参考电压才能稳定，因此，必须等待一段时间后才能得到准确的测量结果｡另外在实际使用cs5361时，还有以下几点需要注意：
（1）cs5361内部的数字滤波器为线性相移滤波器，因此应根据这一特点对不同频率信号的相位作出校正;
（2）cs5361在开始工作时，由于要等待滤波器稳定，因此在滤波器稳定前可输出2000个左右的无效数据，无效数据的具体个数与操作模式有关，此点应注意;
（3）cs5361从mclk稳定到第一个数据出现，有一定的延时，延时大小与操作模式有关;
（4）cs5361转换器的四速模式和倍速模式时的信号带宽几乎完全一样，所不同的是四速模式时的输出采样率更高一些，滤波器的通频带也更宽一些，因此在满足采样率要求的前提下，应尽量采用低速操作模式，实际使用发现：cs5361在低速模式时的性能优于高速模式｡
（5）利用cs5361的高通滤波器进行直流偏移校正时，它只是去除了做直流标定前通道所产生的直流偏移，而对于在采样进行中产生的偏移，此功能不起作用｡
（6）cs5361的数据接口时序在左对齐格式和i2s格式时有很大的差别，这一点在使用时应引起足够的重视｡
（7）cs5361通常以2的补码格式交替连续输出两个通道的24位采样数据，其信号满偏电压有效值为2v，这一点对格式变换十分有用｡
（8）cs5361的两个通道数据虽然是交替分时输出，但同一组数据的采样时刻却是同步的，它们分别代表同一时刻的两个通道模拟信号的值｡
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（1）cs5361内部的数字滤波器为线性相移滤波器，因此应根据这一特点对不同频率信号的相位作出校正;
（2）cs5361在开始工作时，由于要等待滤波器稳定，因此在滤波器稳定前可输出2000个左右的无效数据，无效数据的具体个数与操作模式有关，此点应注意;
（3）cs5361从mclk稳定到第一个数据出现，有一定的延时，延时大小与操作模式有关;
（4）cs5361转换器的四速模式和倍速模式时的信号带宽几乎完全一样，所不同的是四速模式时的输出采样率更高一些，滤波器的通频带也更宽一些，因此在满足采样率要求的前提下，应尽量采用低速操作模式，实际使用发现：cs5361在低速模式时的性能优于高速模式｡
（5）利用cs5361的高通滤波器进行直流偏移校正时，它只是去除了做直流标定前通道所产生的直流偏移，而对于在采样进行中产生的偏移，此功能不起作用｡
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