深入解析ICL7136：高性能3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵器件，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。今天我們要探討的是Intersil公司的ICL7136，一款高性能、低功耗的3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，它在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能。

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一、ICL7136概述

ICL7136集成了七段譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)器、參考源和時(shí)鐘等功能，專為與液晶顯示器（LCD）接口設(shè)計(jì)，還包含多路復(fù)用背板驅(qū)動(dòng)。它結(jié)合了高精度、多功能和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，具有自動(dòng)調(diào)零功能，零點(diǎn)漂移小于1μV/°C，輸入偏置電流最大為10pA，翻轉(zhuǎn)誤差小于一個(gè)計(jì)數(shù)。其真正的差分輸入和參考功能，在測(cè)量稱重傳感器、應(yīng)變計(jì)和其他橋式傳感器時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外，單電源供電的特性使得僅需添加10個(gè)無(wú)源元件和一個(gè)顯示器，就能構(gòu)建高性能面板儀表。

ICL7136是ICL7126的改進(jìn)版本，消除了過(guò)范圍延遲和滯后效應(yīng)，可在所有應(yīng)用中替代ICL7126。同時(shí)，它也能在多種應(yīng)用中作為ICL7106的直接替代品，只需更改無(wú)源元件即可。

二、產(chǎn)品特性

（一）高精度與穩(wěn)定性

• 過(guò)范圍恢復(fù)：在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)首次讀數(shù)過(guò)范圍恢復(fù)，確保在輸入信號(hào)超出量程時(shí)能快速準(zhǔn)確地恢復(fù)正常測(cè)量。
• 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)，且具有精確的零極性，便于精確零點(diǎn)檢測(cè)。
• 低噪聲：噪聲小于15μVp-p，有效減少干擾，提高測(cè)量精度。
• 低漂移：零點(diǎn)讀數(shù)漂移小于1μV/°C，確保在不同溫度環(huán)境下測(cè)量的穩(wěn)定性。

（二）低功耗設(shè)計(jì)

功耗小于1mW，適合電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

（三）兼容性與易用性

• 直接驅(qū)動(dòng)LCD：可直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示器，無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)電路。
• 表面貼裝封裝：提供表面貼裝封裝選項(xiàng)，便于電路板的設(shè)計(jì)和組裝。
• 引腳兼容：可直接替代ICL7126，無(wú)需任何更改。
• 環(huán)保設(shè)計(jì)：提供無(wú)鉛加退火版本，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

三、電氣規(guī)格

（一）絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓：V+至V-最大為15V。
• 模擬輸入電壓：任一輸入的模擬輸入電壓范圍為V+至V-。
• 參考輸入電壓：任一輸入的參考輸入電壓范圍為V+至V-。

（二）工作條件

• 熱阻：PDIP封裝典型熱阻為50°C/W，MQFP封裝為75°C/W。
• 最大結(jié)溫：150°C。
• 最大存儲(chǔ)溫度范圍：-65°C至150°C。
• 最大引腳溫度（焊接10s）：MQFP封裝引腳尖端最大為300°C。

（三）電氣參數(shù)

• 系統(tǒng)性能：零輸入讀數(shù)在±000.0范圍內(nèi)，比例讀數(shù)為999/1000至1000，翻轉(zhuǎn)誤差小于±1計(jì)數(shù)，線性度小于±1計(jì)數(shù)，共模抑制比典型值為50μV/V，噪聲小于15μV，泄漏電流輸入最大為10pA，零點(diǎn)讀數(shù)漂移小于1μV/°C，比例因子溫度系數(shù)小于5ppm/°C。
• 電源電流：V+電源電流典型值為70μA，最大為100μA。
• 顯示驅(qū)動(dòng)器：峰 - 峰段驅(qū)動(dòng)電壓和峰 - 峰背板驅(qū)動(dòng)電壓為4V至6V。

四、設(shè)計(jì)信息

（一）振蕩器相關(guān)參數(shù)

• 振蕩器頻率：(f{OSC}=0.45 / RC)，其中(C{OSC}>50pF)，(R{OSC}>50kΩ)，典型值(f{OSC}=48kHz)。
• 振蕩器周期：(t_{OSC}=RC / 0.45)。
• 積分時(shí)鐘頻率：(f{CLOCK}=f{OSC} / 4)。
• 積分周期：(t{INT}=1000×(4 / f{OSC}))。

（二）其他關(guān)鍵參數(shù)

• 60/50Hz抑制準(zhǔn)則：(t{INT} / t{60Hz})或(t{INT} / t{50Hz})為整數(shù)。
• 最佳積分電流：(I_{INT}=1μA)。
• 滿量程模擬輸入電壓：典型值為200mV或2V。
• 積分電阻：(R{INT}=V{INFS} / I_{INT})。
• 積分電容：(C{INT}=(t{INT})(I{INT}) / V{INT})。
• 積分器輸出電壓擺幅：((V - + 0.5V){INT}<(V + - 0.5V))，典型值(V{INT}=2V)。
• 顯示計(jì)數(shù)：(COUNT = 1000×(V{IN} / V{REF}))。
• 轉(zhuǎn)換周期：(t{CYC}=t{CLOCK}×4000=t{OSC}×16000)，當(dāng)(f{OSC}=48kHz)時(shí)，(t_{CYC}=333ms)。
• 共模輸入電壓：((V - + 1V)
• 自動(dòng)調(diào)零電容：(0.01μF
• 參考電容：(0.1μF

五、引腳描述

ICL7136有40引腳DIP和44引腳扁平封裝兩種形式，各引腳具有不同的功能，包括電源引腳（V+、V - ）、顯示驅(qū)動(dòng)引腳（用于驅(qū)動(dòng)LCD各段）、積分器相關(guān)引腳（INT、BUFF、A - Z）、輸入引腳（IN LO、IN HI）、參考引腳（REF LO、REF HI）、測(cè)試引腳（TEST）等。這些引腳的合理連接和使用是實(shí)現(xiàn)ICL7136正常工作的關(guān)鍵。

六、工作原理

（一）模擬部分

每個(gè)測(cè)量周期分為四個(gè)階段：

• 自動(dòng)調(diào)零階段（A - Z）：輸入高低端與引腳斷開并內(nèi)部短接到模擬公共端，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。
• 信號(hào)積分階段（INT）：自動(dòng)調(diào)零回路打開，內(nèi)部短路去除，內(nèi)部輸入高低端連接到外部引腳，轉(zhuǎn)換器對(duì)IN HI和IN LO之間的差分電壓進(jìn)行固定時(shí)間積分，該差分電壓可在較寬的共模范圍內(nèi)，最后確定積分信號(hào)的極性。
• 反積分階段（DE）：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)電路確保電容以正確極性連接，使積分器輸出返回零，輸出返回零所需時(shí)間與輸入信號(hào)成正比。
• 零積分階段（ZI）：輸入低端短接到模擬公共端，參考電容充電到參考電壓，反饋回路閉合使積分器輸出返回零，正常情況下此階段持續(xù)11至140個(gè)時(shí)鐘脈沖，重過(guò)范圍轉(zhuǎn)換后延長(zhǎng)到740個(gè)時(shí)鐘脈沖。

（二）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）電壓切換時(shí)可吸收較大電容電流。BP頻率為時(shí)鐘頻率除以800，段驅(qū)動(dòng)頻率和幅度與BP相同，段關(guān)閉時(shí)與BP同相，開啟時(shí)反相，段兩端直流電壓可忽略不計(jì)。極性指示在模擬輸入為負(fù)時(shí)開啟，可通過(guò)反轉(zhuǎn)IN LO和IN HI來(lái)反轉(zhuǎn)極性指示。

七、系統(tǒng)定時(shí)

ICL7136有兩種基本時(shí)鐘安排：外部振蕩器連接到DIP引腳40，或使用R - C振蕩器連接三個(gè)引腳。振蕩器頻率先除以4，再進(jìn)一步分頻形成三個(gè)轉(zhuǎn)換周期階段：信號(hào)積分（1000計(jì)數(shù)）、參考反積分（0至2000計(jì)數(shù)）和自動(dòng)調(diào)零（1000至3000計(jì)數(shù)），完整測(cè)量周期為4000計(jì)數(shù)（16000個(gè)時(shí)鐘脈沖），與輸入電壓無(wú)關(guān)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)60Hz或50Hz干擾的最大抑制，應(yīng)選擇合適的振蕩器頻率。

八、元件值選擇

（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驅(qū)動(dòng)電流且非線性可忽略。2V滿量程時(shí)，1.8MΩ接近最佳值；200mV量程時(shí)，180kΩ為合適值。

（二）積分電容

應(yīng)選擇能提供最大電壓擺幅且確保容差累積不會(huì)使積分器飽和的電容，以模擬公共端為參考時(shí)，+2V滿量程積分器擺幅較為合適。3次讀數(shù)/秒（48kHz時(shí)鐘）時(shí)，(C_{INT})典型值分別為0.047μF和0.5μF，不同振蕩器頻率下需按反比調(diào)整。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

200mV滿量程時(shí)，推薦使用0.47μF電容以降低噪聲；2V量程時(shí)，0.047μF電容可提高過(guò)載恢復(fù)速度，且噪聲滿足要求。

（四）參考電容

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

（五）振蕩器元件

推薦使用180kΩ電阻，電容根據(jù)公式(f = 0.45 / RC)選擇，48kHz時(shí)鐘（3次讀數(shù)/秒）時(shí)，(C = 50pF)。

九、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})，200mV和2V量程時(shí)，(V{REF})分別為100mV和1V。在許多與傳感器連接的應(yīng)用中，輸入電壓與數(shù)字讀數(shù)之間的比例因子可能不為1，可直接使用輸入電壓并選擇合適的(V{REF})，這樣可使系統(tǒng)更安靜，避免輸入分壓網(wǎng)絡(luò)。此外，通過(guò)在IN HI和公共端之間連接電壓傳感器，在公共端和IN LO之間連接可變或固定偏移電壓，可方便地產(chǎn)生零數(shù)字讀數(shù)時(shí)(V_{IN}≠0)的情況。

十、典型應(yīng)用

ICL7136具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，以下是一些典型應(yīng)用示例：

• 數(shù)字溫度計(jì)：利用硅二極管連接的晶體管溫度系數(shù)約為 -2mV/°C的特性，通過(guò)在冰水和沸水中校準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)z氏度溫度計(jì)的功能。
• 欠范圍和過(guò)范圍信號(hào)電路：從ICL7136輸出開發(fā)欠范圍和過(guò)范圍信號(hào)，用于系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。
• AC - DC轉(zhuǎn)換器：與ICL7136結(jié)合實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，用于交流信號(hào)的測(cè)量。

十一、總結(jié)

ICL7136以其高精度、低功耗、多功能和易用性等特點(diǎn)，成為電子工程師在設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，合理選擇元件值、理解其工作原理和系統(tǒng)定時(shí)，能夠充分發(fā)揮ICL7136的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。大家在使用ICL7136進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。