授人与渔，不如授人与鱼【PGA2311/CS3110】数字音量电位器实作与分享

jacksl528

随着近几年，数字音频的普及与发展，在某些领域大有替代和创新于传统音频领域的趋势。

虽然我热衷于接触和学习一些新鲜事物，但依旧是传统HIFI音频的拥护者之一。

不过，我对待这些新器件，对待身边发生的科技变革 ，从来都不可视而不见，更不能趋之若鹜。  

我经常在跟发烧友之间探讨这些话题的时候，总是希望大家能站在理性、客观的角度去做一个话题的评判。

毕竟，HIFI是一门科学，不是玄学，它需在用无数次的实践和尝试之后 才能得到自认为正确的那个结论；  而不是出门一张嘴，话题全靠吹。

如果你自己没有身体力行是做不到知行合一的， 那么你所表达出来的观点 就不足以让人信服；更有可能(误导)成为部分看帖者的错误指针，。

在数字音频领域，好的东西应该被更多的人认知和使用，它不应该被某些陈旧的观念或固有的传统观念所唾弃；  同时，正确的传统HIFI知识，是前人研究的成果和精华，需要我们珍惜和敬畏。

二者并不冲突，反而在很多方面可以互补。  对于DIY玩家来说，兼具并用，不但可以尝试到更多新的东西，还能精进自己的技术修为。

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我老早就在计划发布一些关于 音控、音频调节一类的 软控方案帖子。  但又总觉得 我在这里可以表述的内容并不多。

对于需要用到单片机驱动的芯片、系统。 除了那些自己并不擅长的 “鸟语言” 就是更不擅长的“库函数”

我看到论坛上也有很多先辈，尝试 用简短易该的编程教学手法 从无到有的做过 “单片机、C语言”的相关科普

但，。。。。我不知道大家看懂没有， 或者说就算看懂了，能不学以致用，把它用到实践中去呢？ 我觉得对于初学者来说真的挺难的，有太多的未知需要一步一步去尝试和学习。



熟话说：授人与鱼不如授人与渔。   但那个渔，对于完全不会捕鱼的族群来说，他们那里可能连河（湖）都没有。看着手里的渔具，却不知去哪里能捕到鱼   


我发这篇帖子的时候，在记事本上编辑了一段 C语言的基础教学。
字数不多大概：500字 。  
但我回头审题的时候，把自己那蹩脚的表述方式从头看到尾，也跟之前在网络上搞类似科普的朋友一样。。好像这类帖子并没有什么实际价值，。

能看懂那些编程教学内容的会觉得太肤浅。   而不能看懂或者0基础的朋友来说，就算看10遍依然是几个大大的？？？问号。而且现在自媒体内容那么丰富
网上做该类系统教学的专业人士大有人在，视频讲解可比问字描述直观易懂多了吧。




沉思了许久，   我又把那些内容删了~~，， 最后我决定  直接赠“鱼”，发这篇帖子可能更有意义吧。

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>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>  2023/11/19 _关于本制作的软硬件部分已经完结， RMAA测试放在了189#楼 提供参考


>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>  2023/11/19 _关于本制作的软硬件部分已经完结，电路原理图请参考107#楼相关页面   


>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>  2023/11/19 _关于本制作的软硬件部分已经完结， 相关烧录方法和HEX固件程序放在195#楼了


补充内容 (2023-12-26 23:28):
本制作的视频版本已在Bilbili视频站发布，https://www.bilibili.com/video/BV1Da4y167Xr/

jacksl528

PGA2311 是德州仪器十年前推出的 “新一代”数字音量控制器件。
一个消费级半导体器件从被设计到流片再到量产，其生命周期一般都维持再10年。

我会在今天依然拿这个芯片做自己的使用案例，是因为我查过了几乎所有量产该类器件的半导体厂商。 德州仪器PGA2311UA这枚芯片时至今日依旧可以说是“遥遥领先”

它是一枚功能单一的双通道音量控制器件。 全身上下没有别的其他功能，就一个音量大小调节。  

这个器件你说它的科技含量有多高吧？ 对于如今都已经做到3纳米级的半导体产业来说，真不算什么。 你说它没什么科技含量吧， 为什么都10年了，在音量控制方面，能超过这枚芯片几项技术指标的

不能说没有吧，只能说寥寥无几。

WHY？

我查阅了大量的相关资料文献之后，得到了一个可能是答案的答案，作为题外话，仅供娱乐消遣。  

在2000年以前的美国硅谷那可真是 半导体芯片产业的 “春秋战国”，可谓诸子百家；争奇斗艳的年代。

早期的“仙童半导体”凭借人才优势可谓一家独大，有点像鬼谷子开的教学班 ，手底下的门徒各个身怀绝技，翅膀硬了就要下山拯救苍生 ，匡扶正室  
像什么 Intel、AMD、National Semiconductor、  Burr-Brown... 个个单飞之后都成了行业标杆。   这里面最小的小弟Burr-Brown 后来被德州仪器收购。

虽然这里面BB公司可能是混的最差的一位，但它当年是得了仙童班“光刻电阻”的真传的人，虽然不像他大师兄 二师兄那些那么出名。但要知道当年凭借着“高精度光刻电阻”的技术，是被德州仪器出重金才收入麾下的~~

这也不难看出，为什么 BB当年的 R2R DAC芯片那么有名，产品线那么齐全了吧~~

对于我们DIY的这些器件。 对制程精度确实没啥要求，反而过于精细的制造工艺，容易带来“电子隧穿”效应。对音质是不利的，所以音频芯片，对参数精度的要求相比制程精度 更高一些。  

换句话说，高精度光刻电阻的绝学，依然掌握在现在的德州仪器工厂。 这类芯片的核心技术就是高精度的片上电阻 。

jacksl528

目前，数字音量控制器，在技术指标上，能干得过PGA2311UA的芯片可能只有 凌云半导体新出的 CS3308、 CS3318 （官方对于THD参数的描述是：几乎可以忽略不计）


这两枚芯片是8通道结构，一般是用在专业音频领域。

jacksl528

主题：

下面来看看这个制作的主题：

既然PGA2311自身的功能就是单一的音量调节，我打算用它做一个最小化的音量控制系统。  由一枚小型封装的单片机 直接驱动，没有别的附加功能

我的目的是用它取代传统的（廉价）音量电位器。

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根据我的DIY经验 和实际需求，我总结了用PGA2311 /CS3310这类芯片替代传统电位器的好处。

1、显得高端
2、该类芯片具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗（充当了 有源缓冲器）
3、没有实际的物理滑膜接触，永远不会产生咔咔声。
4、系统最小化可以把它直接集成在自己的功放板上，用旋转编码器 引出3根控制线，不会引入干扰，也不会受到长度和布线的困扰。
5、可以完全消除直流偏移 ；让前后级的信号连接阻抗固定化。

yxu2018

赶快来围观高手直播赠渔

newpeop

期待中，手里有几片可惜不会单片机

jacksl528

翻看PGA2311的官方数据表，我们需要了解的是这个芯片的工作环境和驱动方式。



特点

数字控制模拟音量控制：两个独立的音频通道（立体声）
串行控制接口
过零检测
静音功能
宽增益和衰减范围：+31.5 dB至-95.5 dB，阶跃0.5 dB低噪声和失真：
120 dB动态范围

1 kHz时为0.0004%THD+N（U级）

1 kHz时为0.0002%THD+N（A级）

无噪声电平转换低信道间串扰：-130 dBFS

电源：正负5V模拟供电，+5V数字供电

PDI-16和SOIC-16两种封装形式， 提供与Crystal的CS3310兼容的引脚和软件。

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数据表的解读重点：

1、这个芯片是带增益的，也就是-95.5db到 0dB 是一段。  0dB到+31.5dB是一段。
2、该芯片对供电的需求是需要一组+5V的数字供电（DVDD） 还需要一组正负5V的模拟部分供电（AVDD）
3、该芯片与凌云半导体的CS3310 pin  to  pin兼容，软控也兼容。（可互换）





引脚功能注解表：
该芯片具有输入过0检测
与MCU采用SPI传输方式（我之前一直以为是I2C）
该芯片具有手动（硬件）静音引脚
具有片选功能（ 可以多个芯片同时复用）





典型应用电路图：

重点解读：
官方推荐将DGND和 AGND单点连接。

这个芯片从电路上看，十分简单，无论是动态范围还是THD指标都十分优秀， 尤其是PA、UA这个后缀。要想做到官方数据表上的指标 主要是看PCBlaytou和供电部分了。
有了上面这些基本资料，我们就可以开始动手规划整个系统的拓扑图了~

cqxl

搬凳子前排围观

andui

围观，围观

jacksl528

感谢回帖，回帖有惊喜

oyf.fly

我也准备搞这个芯片，储备了不少资料，再来点资料吧！争取不烂尾。

夜如风

几乎可以无损调整，它是怎么做到的呢？

椰风

感谢分享!!!

zxhdoop

jacksl528 发表于 2023-12-10 17:56
PGA2311 是德州仪器十年前推出的 “新一代”数字音量控制器件。
一个消费级半导体器件从被设计到 ...

看它的框图是控制运放增益来实现的。

火龙138

强力围观，静待果实

zxhdoop

楼主有空分析下ADI的AD5262，我感觉它和普通电位器更接近。

jacksl528

夜如风 发表于 2023-12-10 20:42
几乎可以无损调整，它是怎么做到的呢？

它的内部有很多类似 R2R DAC的梯形蚀刻电阻群阵列。 可以把这些电阻看作 高档步进电位器内部的高精度晶圆电阻。   
只不过传统的步进电阻器是机械结构的触点。而PGA2311这类芯片 内部的触点是高精度COMS器件，在当年这些超小型的COMS器件是先进制程的代表，具有非常低的结电容和导通电阻，是能让该类芯片做到超低失真度的关键技术。

在PGA2311的官方数据表上 有这样一段它工作原理的描述：

7.1 Overview
The PGA2311 is a stereo audio volume control that can be used in a wide array of professional and consumer
audio equipment. The PGA2311 is fabricated in a sub-micron CMOS process.
The heart of the PGA2311 is a resistor network, an analog switch array, and a high-performance operational
amplifier stage. The switches select taps in the resistor network that determine the gain of the amplifier stage.
Switch selections are programmed using a serial control port. The serial port allows connection to a wide variety
of host controllers. The Functional Block Diagram section shows a model diagram of the PGA2311.

jacksl528

zxhdoop 发表于 2023-12-10 21:59
看它的框图是控制运放增益来实现的。

是的 带增益的这类芯片 在输出端都有低噪声运算放大器 做低阻输出。

jacksl528

zxhdoop 发表于 2023-12-10 22:20
楼主有空分析下ADI的AD5262，我感觉它和普通电位器更接近。

ADI的 AD5262的工作原理更像 我以前使用过的 X9C104  。 http://bbs.hifidiy.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1450377

它们属于“滑动变阻器”类型的器件。 可以用于音频，但并不是专门为音频领域开发。    这类芯片在音频通路可以看作无源器件， 虽然更像普通电位器，但同时也继承了一些 普通电位器的缺点。

zxhdoop

jacksl528 发表于 2023-12-10 22:37
ADI的 AD5262的工作原理更像 我以前使用过的 X9C104  。 http://bbs.hifidiy.net/forum.php?mod=viewthre ...

明白了，PGA2311加了一级缓冲起到阻抗匹配作用。