Maxim ICL7106/ICL7107：3 1/2 位 A/D 轉換器深度解析

在電子工程師的日常設計工作中，A/D 轉換器是非常關鍵的元件，它能將模擬信號轉換為數字信號，實現模擬世界與數字世界的橋梁連接。今天我們就來深入探討 Maxim 公司推出的 ICL7106/ICL7107 這兩款 3 1/2 位 A/D 轉換器。

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一、產品概述

ICL7106 和 ICL7107 屬于單片式模擬 - 數字轉換器（ADC），具有高輸入阻抗，并且無需外部顯示驅動電路。片上的有源組件涵蓋極性和數字驅動器、段解碼器、電壓基準以及時鐘電路。ICL7106 可直接驅動非復用液晶顯示器（LCD），而 ICL7107 則能直接驅動共陽極發光二極管（LED）顯示器。

二、核心特性亮點

2.1 性能與精度出色

• 雙斜率轉換技術：該技術能自動抑制工業環境中常見的干擾信號，在復雜工業場景下能保證測量的準確性。大家可以思考一下，在實際工業應用中，這種抗干擾能力能為系統帶來多大的穩定性提升呢？
• 零積分器相位設計：Maxim 在 ICL7106 和 ICL7107 中加入了零積分器相位，消除了超量程殘留和滯后效應，同時將翻轉誤差降至小于 1 個計數，零讀數漂移降至小于 1μV/°C，大大提高了測量的精度。

  2.2 高集成度與簡易設計

• 自帶顯示驅動能力：無需外部電路，ICL7106 適用于 LCD 顯示，ICL7107 適用于 LED 顯示，減少了設計的復雜度和成本。
• 高阻抗 CMOS 差分輸入：具有低噪聲（<15μV P - P）特性，且無滯后或超量程殘留問題。

  2.3 寬溫度范圍穩定性

  關鍵參數在溫度范圍內有保證，能適應不同的工作環境溫度，確保在各種條件下都能穩定工作。

三、電氣特性剖析

3.1 基本測量參數

3.2 其他重要參數

• 共模抑制比：典型值可達 50μV/V，能有效抑制共模干擾。
• 噪聲：95% 的時間內，峰 - 峰值不超過 15μV，保證了測量的穩定性。
• 輸入泄漏電流：典型值為 1pA，最大值為 10pA，對輸入信號的影響極小。

四、工作原理與電路分析

4.1 測量周期階段

每個測量周期分為四個階段：

• 自動調零（A - Z）：輸入引腳內部短路到模擬公共端，參考電容充電，反饋環路閉合以補償比較器、緩沖放大器和積分器中的失調電壓。
• 信號積分（INT）：內部輸入引腳連接到外部引腳，自動調零環路打開，對輸入信號進行固定時間的積分。
• 參考反積分（DI）：IN - HI 連接到已充電的參考電容，IN - LO 連接到模擬公共端，積分器輸出返回零，數字讀數根據輸入信號和參考電壓計算得出。
• 零積分器（ZI）：輸入低電平短路到模擬公共端，參考電容充電，反饋環路閉合使積分器輸出返回零。

4.2 電路設計要點

• 差分參考：參考電壓可在轉換器電源電壓范圍內任意產生，為避免翻轉誤差，需選擇足夠大的參考電容。
• 差分輸入：輸入放大器能接受共模范圍內的差分電壓，但要注意避免積分器輸出飽和。
• 模擬公共端：主要用于設置電池供電時的共模電壓，ICL7107 由于 LED 顯示驅動器的內部發熱，可能會影響模擬公共端的穩定性，使用外部參考可避免此問題。

五、組件值的選擇

5.1 自動調零電容

在 2V 量程下，0.047μF 的電容足夠；在 200mV 滿量程且低噪聲操作要求高時，建議使用 0.47μF 的電容。

5.2 參考電容

大多數應用中，0.1μF 的電容可接受，但在存在大共模電壓且使用 200mV 量程時，需使用 1.0μF 的電容以防止翻轉誤差。

5.3 積分電容

選擇合適的積分電容可確保積分器不飽和，建議使用聚丙烯電容以減小線性誤差。

5.4 積分電阻

電阻值應足夠大以保持放大器在整個輸入電壓范圍內處于線性區域，同時又要足夠小以避免對 PCB 板的泄漏要求過高。

5.5 振蕩器組件

推薦使用 100K 電阻，根據公式 (f = 0.45 / RC) 計算電容值。

5.6 參考電壓

根據不同量程和應用需求選擇合適的參考電壓，可簡化電路設計并提高系統性能。

六、ICL7107 電源設計

ICL7107 設計用于 ±5V 電源供電，但在沒有負電源時，可通過時鐘輸出和簡單的電路元件（如二極管、電容和 IC）生成負電源，也可使用 Maxim 的 ICL7660 和兩個電容生成 - 5V 電源。在滿足特定條件（使用外部參考、信號小于 ±1.5V、輸入信號可參考轉換器共模范圍中心）時，也可使用單 +5V 電源。

七、應用與散熱考慮

ICL7106/ICL7107 廣泛應用于數字面板儀表，可測量壓力、溫度、電壓等多種模擬數據。在 ICL7107 應用中，由于 LED 顯示電流的吸收會產生熱量，波動的芯片溫度可能導致顯示讀數變化。可通過降低 LED 共陽極電壓來減少功率損耗，如在顯示電路中串聯 5.1Ω 電阻或 1 安二極管，能有效降低功率損耗和顯示功耗對參考電壓漂移的影響。

總之，Maxim ICL7106/ICL7107 以其出色的性能、高集成度和廣泛的適用性，為電子工程師在模擬信號數字化處理方面提供了優秀的解決方案。在實際設計中，我們需要根據具體應用需求，合理選擇組件值和電源方案，以充分發揮這兩款 A/D 轉換器的優勢。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎一起交流探討。