解析ICL7136：高性能低功耗3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能、低功耗的A/D轉(zhuǎn)換器一直是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。Intersil的ICL7136就是這樣一款令人矚目的產(chǎn)品，它集高精度、多功能和經(jīng)濟(jì)性于一身，為各類電子設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大支持。

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一、ICL7136概述

ICL7136是一款高性能、低功耗的3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了七段譯碼器、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)，具備多路復(fù)用背板驅(qū)動(dòng)功能。相比ICL7126，ICL7136進(jìn)行了改進(jìn)，消除了超量程滯后和磁滯效應(yīng)，可在所有應(yīng)用中替代ICL7126；同時(shí)，在很多應(yīng)用場(chǎng)景下，它也能作為ICL7106的直接替代品，只需更換無(wú)源元件。

（一）產(chǎn)品特性

1. 超量程恢復(fù)能力：能在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)首次讀數(shù)的超量程恢復(fù)。
2. 零輸入讀數(shù)保證：在所有量程下，0V輸入時(shí)保證零讀數(shù)。
3. 精確極性顯示：零位時(shí)具有精確的極性顯示，便于精確零點(diǎn)檢測(cè)。
4. 低輸入電流：典型輸入電流僅1pA。
5. 真差分輸入和參考：直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示，具備低噪聲特性，峰 - 峰值噪聲小于15μV。
6. 片上時(shí)鐘和參考：無(wú)需額外的有源電路，功耗低于1mW。
7. 封裝形式多樣：有表面貼裝封裝可供選擇，還提供無(wú)鉛加退火版本，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

（二）訂購(gòu)信息

需要注意的是，無(wú)鉛PDIP封裝僅適用于通孔波峰焊工藝，不適用于回流焊工藝。

二、電氣特性與性能指標(biāo)

（一）絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓（V + 到V - ）：最大15V。
• 模擬輸入電壓（任一輸入）和參考輸入電壓（任一輸入）范圍為V + 到V - 。
• 時(shí)鐘輸入：ICL7136的TEST到V + 。

（二）熱信息

不同封裝的熱阻不同，PDIP封裝典型熱阻為50°C/W，MQFP封裝為75°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，MQFP封裝引腳焊接10s時(shí)的最大溫度為300°C（僅引腳尖端）。

（三）電氣規(guī)格

在TA = 25°C、fCLOCK = 48kHz的條件下，ICL7136的各項(xiàng)電氣性能指標(biāo)表現(xiàn)出色，例如：

• 零輸入讀數(shù)：在VIN = 0V、滿量程為200mV時(shí)，讀數(shù)為±000.0。
• 比例讀數(shù)：當(dāng)VIN = VREF、VREF = 100mV時(shí)，讀數(shù)為999/1000。
• 翻轉(zhuǎn)誤差：在接近滿量程的正負(fù)輸入時(shí)，讀數(shù)差異小于±1計(jì)數(shù)。
• 線性度：滿量程為200mV或2V時(shí)，最大偏差小于±1計(jì)數(shù)。
• 共模抑制比：在VCM = ±1V、VIN = 0V、滿量程為200mV時(shí)，典型值為50μV/V。
• 噪聲：VIN = 0V、滿量程為200mV時(shí)，峰 - 峰值噪聲不超過(guò)15μV（95%的時(shí)間）。

三、設(shè)計(jì)信息與工作原理

（一）設(shè)計(jì)參數(shù)

• 振蕩器頻率：(f_{OSC}=0.45 / RC) 。
• 積分時(shí)鐘頻率、周期等：積分周期 (t{INT}=1000×(4 / f{OSC})) ，轉(zhuǎn)換周期 (t{CYC}=t{CLOCK}×4000=t_{OSC}×16,000) 。
• 積分電阻和電容：積分電容 (C{INT}=frac{(t{INT})(I{INT})}{V{INT}}) ，積分器輸出電壓擺幅 (V{INT}=frac{(t{INT})(I{INT})}{C{INT}}) 。
• 其他參數(shù)：如自動(dòng)調(diào)零電容 (0.01μF < C{AZ}< 1μF) ，參考電容 (0.1μF < C{REF}< 1μF) 等。

（二）工作原理

ICL7136的每個(gè)測(cè)量周期分為四個(gè)階段：

1. 自動(dòng)調(diào)零階段（A - Z）：輸入高低端與引腳斷開并內(nèi)部短接到模擬COMMON，參考電容充電到參考電壓，反饋回路閉合給自動(dòng)調(diào)零電容 (C_{AZ}) 充電，以補(bǔ)償緩沖放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓，輸入失調(diào)小于10μV。
2. 信號(hào)積分階段（INT）：自動(dòng)調(diào)零回路打開，內(nèi)部短接去除，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)間積分，可在較寬的共模范圍內(nèi)工作。
3. 反積分階段（DE）：輸入低端內(nèi)部連接到模擬COMMON，高端連接到之前充電的參考電容，芯片內(nèi)電路確保電容極性正確，使積分器輸出回到零，輸出回到零所需時(shí)間與輸入信號(hào)成正比，數(shù)字顯示讀數(shù)為 (DISPLAY READING =1000(frac{V{IN}}{V{REF}})) 。
4. 零積分階段（ZI）：輸入低端短接到模擬COMMON，參考電容充電到參考電壓，反饋回路閉合使積分器輸出回到零，正常情況下此階段持續(xù)11 - 140個(gè)時(shí)鐘脈沖，超量程轉(zhuǎn)換后會(huì)延長(zhǎng)到740個(gè)時(shí)鐘脈沖。

四、引腳說(shuō)明與應(yīng)用電路

（一）引腳說(shuō)明

ICL7136的引腳功能豐富，涵蓋電源、顯示驅(qū)動(dòng)、輸入輸出、參考等多個(gè)方面。例如，V + 和V - 為電源引腳，D1 - D3、C1 - C3等為顯示段驅(qū)動(dòng)引腳，IN HI和IN LO為差分輸入引腳，REF HI和REF LO為參考電壓輸入引腳等。

（二）典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多種典型應(yīng)用電路，如用于200mV滿量程的測(cè)試電路，以及數(shù)字溫度計(jì)、交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用電路。這些電路展示了ICL7136的多功能性，可滿足不同的設(shè)計(jì)需求。

五、組件值選擇

（一）積分電阻

緩沖放大器和積分器的A類輸出級(jí)靜態(tài)電流為100μA，可提供1μA的驅(qū)動(dòng)電流且非線性可忽略。對(duì)于2V滿量程，1.8MΩ的積分電阻接近最優(yōu)；對(duì)于200mV量程，180kΩ較為合適。

（二）積分電容

積分電容應(yīng)選擇能提供最大電壓擺幅，確保容差累積不會(huì)使積分器飽和（距任一電源約0.3V）。在使用模擬COMMON作為參考時(shí)，對(duì)于每秒3次讀數(shù)（48kHz時(shí)鐘），(C_{INT}) 分別為0.047μF（200mV量程）和0.5μF（2V量程）。同時(shí)，積分電容應(yīng)具有低介電吸收特性，聚丙烯電容是不錯(cuò)的選擇。

（三）自動(dòng)調(diào)零電容

對(duì)于200mV滿量程，建議使用0.47μF的電容以降低噪聲；對(duì)于2V量程，0.047μF的電容可提高過(guò)載恢復(fù)速度且能滿足噪聲要求。

（四）參考電容

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

（五）振蕩器組件

推薦使用180kΩ的電阻，電容根據(jù)公式 (f=frac{0.45}{RC}) 選擇，對(duì)于48kHz時(shí)鐘（每秒3次讀數(shù)），(C = 50pF) 。

（六）參考電壓

產(chǎn)生滿量程輸出（2000計(jì)數(shù)）所需的模擬輸入為 (V{IN}=2V{REF}) 。對(duì)于200mV和2V量程，(V{REF}) 應(yīng)分別為100mV和1V。在一些應(yīng)用中，可直接使用輸入電壓并選擇合適的 (V{REF}) ，以簡(jiǎn)化電路并降低噪聲。

六、總結(jié)

ICL7136憑借其高性能、低功耗、多功能等特性，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)論是在數(shù)字面板儀表、溫度計(jì)、交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中，還是在需要高精度A/D轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，ICL7136都能發(fā)揮出色的性能。工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)具體需求合理選擇組件值，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)效果。你在使用ICL7136進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。