低功耗3 1/2位A/D轉換器ICL7136：技術解析與應用指南

在電子設計領域，A/D轉換器是模擬信號與數字信號之間的橋梁，其性能直接影響到整個系統的精度和穩定性。今天我們要深入探討的是Maxim公司的ICL7136，一款低功耗3 1/2位A/D轉換器，它在眾多應用場景中展現出了卓越的性能。

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一、產品概述

ICL7136是一款具有高輸入阻抗的單片模擬 - 數字轉換器。片上集成了段驅動器、段解碼器、電壓基準和時鐘電路等有源組件，能夠直接驅動非復用液晶（LCD）顯示器，無需外部顯示驅動電路。顯著降低的功耗使其成為便攜式系統的理想選擇，同時具備多功能性和高精度的特點。

二、產品特性

1. 低功耗：功率耗散保證小于1mW，9V電池典型續航時間可達3000小時。
2. 快速恢復：保證從超量程狀態快速恢復到第一次讀數。
3. 零輸入零讀數：輸入為零時，輸出讀數為零。
4. 低噪聲：噪聲峰 - 峰值為15μVp - p，無滯后或超量程殘留效應。
5. 真差分基準和輸入：采用單片、低功耗CMOS設計。
6. 增強的ESD保護：所有引腳設計可承受超過2000V的靜電放電。
7. 增加輸入電流最大額定值：輸入電壓可超過電源電壓，只要輸入電流限制在1mA。

三、電氣特性

1. 零點輸入讀數

在0.0V輸入、滿量程為200.0mV、TA = 25°C的條件下，讀數在 - 000.0到 + 000.0之間。

2. 比例讀數

當VIN = VREF，VREF = 100mV，TA = 25°C時，讀數為999/1000；在0°C ≤ TA ≤ + 70°C范圍內，讀數在999到1001之間。

3. 翻轉誤差

在VIN = + VIN = 200.0mV、TA = 25°C、滿量程為200.0mV的條件下，誤差為±0.2計數。

4. 線性度

滿量程為200mV或2.000V時，最大偏差小于1計數。

5. 共模抑制比

在VCM = ±1V、VIN = 0V、滿量程為200.0mV的條件下，典型值為5μV/V。

6. 噪聲

在VIN = 0V、TA = 25°C時，峰 - 峰值不超過10μV；在0°C ≤ TA ≤ + 70°C范圍內，不超過1μV。

7. 零點讀數漂移

在0°C ≤ TA ≤ + 70°C范圍內，漂移小于1μV/°C。

8. 比例因子溫度系數

在0°C ≤ TA ≤ + 70°C范圍內，為1 - 5ppm/°C。

9. 電源電流

在VIN = 0、0°C ≤ TA ≤ + 70°C范圍內，為60 - 100μA。

四、工作原理

1. 模擬部分

每個測量周期分為四個階段：

• 自動調零（A - Z）：輸入引腳與內部模擬地短接，參考電容充電至參考電壓，反饋回路閉合，自動調零電容CAZ充電以補償比較器、緩沖放大器和積分器的失調電壓。
• 信號積分（INT）：內部輸入引腳與外部引腳連接，自動調零回路打開，轉換器對IN - HI和IN - LO之間的差分電壓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連接到模擬地，芯片內電路確保電容以正確極性連接，使積分器輸出回到零。數字顯示讀數為1000 × (VIN / VREF)。
• 零積分（ZI）：輸入低電平與模擬地短接，參考電容充電至參考電壓，反饋回路閉合，使積分器輸出回到零。此階段通常持續11 - 140個時鐘脈沖，在“重”超量程轉換后延長至740個時鐘脈沖。

2. 數字部分

內部數字地由電容電流產生，背板（BP）電壓切換時，BP頻率為時鐘頻率除以800。段驅動器以相同頻率和幅度驅動，BP開啟和關閉時相位不同。

3. 系統定時

時鐘電路有三種實現方式：

• 在引腳39和40之間連接晶體。
• 外部振蕩器連接到引腳40。
• 使用三個引腳構建RC振蕩器。 十進制計數器由時鐘頻率除以4驅動，進一步分頻形成四個轉換周期階段。信號積分應是60Hz的倍數以實現最大60Hz干擾抑制，不同的振蕩器頻率可用于不同的干擾抑制需求。

五、組件值選擇

1. 自動調零電容

對于2V量程，0.1μF電容足夠；對于200mV滿量程，建議使用0.47μF電容以提高噪聲抑制能力。

2. 參考電容

大多數應用中，0.1μF電容可接受；為防止量程翻轉，建議使用1.0μF電容。

3. 積分電容

為確保積分器不飽和，應選擇合適的積分電容。在每秒一次讀數（16kHz時鐘）時，CINT標稱值為0.15μF。若使用不同的振蕩器頻率，應按反比例改變該值。

4. 積分電阻

積分電阻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，同時應足夠小以避免對PCB板的過度泄漏要求。對于200mV量程，建議使用180kΩ電阻；對于2V量程，使用1.8MΩ電阻。

5. 參考電壓

對于2V和200mV量程，VREF應分別為1V和100mV。在許多應用中，輸入電壓和數字讀數之間的比例因子可能不是1，可根據實際情況選擇合適的VREF和積分電阻。

6. 振蕩器組件

建議使用50pF電容，電阻根據公式i ≈ 0.45 / RC選擇。對于48kHz時鐘（每秒3次讀數），R = 180kΩ；對于16kHz時鐘，R = 560kΩ。

六、典型應用

ICL7136可用于各種數字面板儀表應用，如壓力、電導、電壓、電流、電阻、速度、溫度和材料厚度等模擬數據的測量和顯示。

七、總結

ICL7136以其低功耗、高精度和多功能性在A/D轉換領域占據一席之地。在設計過程中，合理選擇組件值和時鐘頻率，能夠充分發揮其性能優勢，滿足不同應用場景的需求。你在使用ICL7136的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。