ICL7126：3 1/2 位低功耗單芯片 A/D 轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，A/D 轉(zhuǎn)換器是連接模擬世界與數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們就來(lái)深入探討一款高性能、低功耗的 3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器——ICL7126。它集成了眾多必要的有源器件，為電子工程師們提供了一個(gè)高效、經(jīng)濟(jì)且多功能的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

ICL7126 是一款高性能、超低功耗的 3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，所有必要的有源器件都集成在一個(gè)單 CMOS IC 中，包括七段解碼器、顯示驅(qū)動(dòng)器、參考源和時(shí)鐘。它專為與液晶顯示器（LCD）接口設(shè)計(jì)，還包含背板驅(qū)動(dòng)，僅 100μA 的電源電流使其非常適合 9V 電池供電。這款轉(zhuǎn)換器將高精度、多功能性和經(jīng)濟(jì)性完美結(jié)合，具有自動(dòng)調(diào)零、低零漂、低輸入偏置電流和低翻轉(zhuǎn)誤差等優(yōu)點(diǎn)。它可以作為 ICL7106 的插件替代品，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。

二、產(chǎn)品特性

2.1 卓越的性能指標(biāo)

• 超長(zhǎng)電池壽命：典型的 9V 電池壽命可達(dá) 8000 小時(shí)，這對(duì)于便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，大大減少了頻繁更換電池的麻煩。
• 精確的零輸入讀數(shù)：在所有量程下，0V 輸入時(shí)保證零讀數(shù)，并且具有真正的零極性，便于精確的零位檢測(cè)。
• 低輸入電流：典型輸入電流僅 1pA，有效降低了對(duì)輸入信號(hào)的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
• 低噪聲：噪聲小于 15μVp - p，確保了測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。
• 低功耗：功耗保證小于 1mW，進(jìn)一步延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。

2.2 多功能設(shè)計(jì)

• 真差分輸入和參考：這種設(shè)計(jì)在測(cè)量負(fù)載細(xì)胞、應(yīng)變計(jì)和其他橋式傳感器時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為工程師提供了更多的設(shè)計(jì)靈活性。
• 直接 LCD 顯示驅(qū)動(dòng)：無(wú)需外部組件即可直接驅(qū)動(dòng) LCD 顯示，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 引腳兼容：與 ICL7106 引腳兼容，方便在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中進(jìn)行替換和升級(jí)。
• 片上時(shí)鐘和參考：集成了時(shí)鐘和參考源，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。

三、技術(shù)參數(shù)

3.1 絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓 V + 到 V - 最大為 15V。
• 模擬輸入電壓（任一輸入）和參考輸入電壓范圍為 V + 到 V - 。
• 時(shí)鐘輸入范圍為 TEST 到 V + 。

3.2 熱信息

• PDIP 封裝的熱阻典型值為 50°C/W。
• 最大結(jié)溫為 150°C。
• 最大存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65°C 到 150°C。
• 最大引腳溫度（焊接 10s）為 300°C。

3.3 電氣規(guī)格

在 (T{A}=25^{circ}C)，(V{REF}=100mV)，(f_{CLOCK}=48kHz) 的條件下，ICL7126 展現(xiàn)出了出色的性能。例如，零輸入讀數(shù)在 - 000.0 到 + 000.0 之間，線性度最大偏差為 ±1 計(jì)數(shù)等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

四、工作原理

4.1 模擬部分

每個(gè)測(cè)量周期分為三個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零（A - Z）、信號(hào)積分（INT）和去積分（DE）。

• 自動(dòng)調(diào)零階段：輸入高低端與引腳斷開(kāi)并內(nèi)部短接到模擬公共端，參考電容充電到參考電壓，反饋回路閉合以補(bǔ)償緩沖放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓，使輸入失調(diào)小于 10μV。
• 信號(hào)積分階段：自動(dòng)調(diào)零回路打開(kāi)，內(nèi)部輸入高低端連接到外部引腳，對(duì) IN HI 和 IN LO 之間的差分電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分，確定積分信號(hào)的極性。
• 去積分階段：輸入低端內(nèi)部連接到模擬公共端，輸入高端連接到先前充電的參考電容，芯片內(nèi)的電路確保電容以正確的極性連接，使積分器輸出回到零，輸出回到零所需的時(shí)間與輸入信號(hào)成正比。

4.2 數(shù)字部分

內(nèi)部數(shù)字地由 6V 齊納二極管和大 P 溝道源極跟隨器產(chǎn)生，背板（BP）頻率是時(shí)鐘頻率除以 800。段驅(qū)動(dòng)與 BP 同頻同幅，關(guān)閉時(shí)同相，打開(kāi)時(shí)反相，段間直流電壓可忽略不計(jì)。極性指示在模擬輸入為負(fù)時(shí)為“ON”。

4.3 系統(tǒng)定時(shí)

ICL7126 有兩種基本的時(shí)鐘安排：外部振蕩器連接到引腳 40 或使用 R - C 振蕩器。振蕩器頻率除以四后驅(qū)動(dòng)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，再進(jìn)一步分頻形成三個(gè)轉(zhuǎn)換周期階段。為了最大程度地抑制 60Hz 或 50Hz 的干擾，信號(hào)積分周期應(yīng)是 60Hz 或 50Hz 的倍數(shù)。

五、元件值選擇

5.1 積分電阻

對(duì)于 2V 滿量程，1.8MΩ 接近最佳值；對(duì)于 200mV 量程，180kΩ 較為合適。選擇時(shí)要確保在輸入電壓范圍內(nèi)保持線性，同時(shí)避免對(duì) PCB 板的漏電要求過(guò)高。

5.2 積分電容

應(yīng)選擇能提供最大電壓擺幅的電容，以確保不會(huì)使積分器飽和。對(duì)于 3 次讀數(shù)/秒（48kHz 時(shí)鐘），(C_{INT}) 的標(biāo)稱值為 0.047μF；對(duì)于 1 次讀數(shù)/秒（16kHz），為 0.15μF。此外，電容應(yīng)具有低介電吸收，聚丙烯電容是不錯(cuò)的選擇。

5.3 自動(dòng)調(diào)零電容

在 200mV 滿量程時(shí)，建議使用 0.32μF 的電容；在 2V 量程時(shí)，0.33μF 的電容可提高過(guò)載恢復(fù)速度并滿足噪聲要求。

5.4 參考電容

大多數(shù)應(yīng)用中，0.1μF 的電容效果良好。但當(dāng)存在較大共模電壓且使用 200mV 量程時(shí)，需要使用 1μF 的電容以防止翻轉(zhuǎn)誤差。

5.5 振蕩器元件

建議使用 50pF 的電容，電阻可根據(jù)近似方程 (f approx frac{0.45}{RC}) 選擇。

5.6 參考電壓

對(duì)于 200mV 和 2V 量程，(V{REF}) 應(yīng)分別等于 100mV 和 1V。在某些應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況直接使用輸入電壓并選擇合適的 (V{REF})，以提高系統(tǒng)的性能。

六、典型應(yīng)用

ICL7126 具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，以下是一些常見(jiàn)的應(yīng)用電路：

6.1 內(nèi)部參考應(yīng)用

使用內(nèi)部參考時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 200mV 滿量程、3 次讀數(shù)/秒的測(cè)量，適用于浮動(dòng)電源電壓（9V 電池）的情況。

6.2 外部帶隙參考應(yīng)用

通過(guò)外部帶隙參考（1.2V 類型），可實(shí)現(xiàn) 2.0V 滿量程的測(cè)量，不同讀數(shù)速度下的元件值有所不同。

6.3 齊納二極管參考應(yīng)用

使用齊納二極管參考時(shí)，需注意低 TC 齊納二極管的擊穿電壓約為 6.8V，可能需要在總電源上跨接二極管。

6.4 其他應(yīng)用

還可用于測(cè)量比例值、數(shù)字溫度計(jì)、開(kāi)發(fā)欠量程和超量程信號(hào)、AC 到 DC 轉(zhuǎn)換等多種應(yīng)用場(chǎng)景，充分展示了其多功能性。

七、總結(jié)

ICL7126 以其高性能、低功耗、多功能性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，成為電子工程師在設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換電路時(shí)的理想選擇。通過(guò)深入了解其工作原理、技術(shù)參數(shù)和元件值選擇方法，工程師們可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更加高效、穩(wěn)定的電路。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體需求選擇合適的參考源和元件值，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用 ICL7126 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。