ICL7126：3 1/2 位低功耗單芯片 A/D 轉換器的深度解析

在電子設計領域，A/D 轉換器是連接模擬世界與數字世界的關鍵橋梁。今天，我們就來深入探討一款高性能、低功耗的 3 1/2 位 A/D 轉換器——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高效、經濟且多功能的解決方案。

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一、產品概述

ICL7126 是一款高性能、超低功耗的 3 1/2 位 A/D 轉換器，所有必要的有源器件都集成在一個單 CMOS IC 中，包括七段解碼器、顯示驅動器、參考源和時鐘。它專為與液晶顯示器（LCD）接口設計，還包含背板驅動，僅 100μA 的電源電流使其非常適合 9V 電池供電。這款轉換器將高精度、多功能性和經濟性完美結合，具有自動調零、低零漂、低輸入偏置電流和低翻轉誤差等優點。它可以作為 ICL7106 的插件替代品，廣泛應用于各種領域。

二、產品特性

2.1 卓越的性能指標

• 超長電池壽命：典型的 9V 電池壽命可達 8000 小時，這對于便攜式設備來說至關重要，大大減少了頻繁更換電池的麻煩。
• 精確的零輸入讀數：在所有量程下，0V 輸入時保證零讀數，并且具有真正的零極性，便于精確的零位檢測。
• 低輸入電流：典型輸入電流僅 1pA，有效降低了對輸入信號的影響，提高了測量的準確性。
• 低噪聲：噪聲小于 15μVp - p，確保了測量結果的穩定性和可靠性。
• 低功耗：功耗保證小于 1mW，進一步延長了電池的使用時間。

2.2 多功能設計

• 真差分輸入和參考：這種設計在測量負載細胞、應變計和其他橋式傳感器時具有獨特的優勢，為工程師提供了更多的設計靈活性。
• 直接 LCD 顯示驅動：無需外部組件即可直接驅動 LCD 顯示，簡化了電路設計。
• 引腳兼容：與 ICL7106 引腳兼容，方便在現有設計中進行替換和升級。
• 片上時鐘和參考：集成了時鐘和參考源，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。

三、技術參數

3.1 絕對最大額定值

• 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。
• 最大結溫為 150°C。
• 最大存儲溫度范圍為 - 65°C 到 150°C。
• 最大引腳溫度（焊接 10s）為 300°C。

3.3 電氣規格

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

四、工作原理

4.1 模擬部分

每個測量周期分為三個階段：自動調零（A - Z）、信號積分（INT）和去積分（DE）。

• 自動調零階段：輸入高低端與引腳斷開并內部短接到模擬公共端，參考電容充電到參考電壓，反饋回路閉合以補償緩沖放大器、積分器和比較器的失調電壓，使輸入失調小于 10μV。
• 信號積分階段：自動調零回路打開，內部輸入高低端連接到外部引腳，對 IN HI 和 IN LO 之間的差分電壓進行固定時間的積分，確定積分信號的極性。
• 去積分階段：輸入低端內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間與輸入信號成正比。

4.2 數字部分

內部數字地由 6V 齊納二極管和大 P 溝道源極跟隨器產生，背板（BP）頻率是時鐘頻率除以 800。段驅動與 BP 同頻同幅，關閉時同相，打開時反相，段間直流電壓可忽略不計。極性指示在模擬輸入為負時為“ON”。

4.3 系統定時

ICL7126 有兩種基本的時鐘安排：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動十進制計數器，再進一步分頻形成三個轉換周期階段。為了最大程度地抑制 60Hz 或 50Hz 的干擾，信號積分周期應是 60Hz 或 50Hz 的倍數。

五、元件值選擇

5.1 積分電阻

對于 2V 滿量程，1.8MΩ 接近最佳值；對于 200mV 量程，180kΩ 較為合適。選擇時要確保在輸入電壓范圍內保持線性，同時避免對 PCB 板的漏電要求過高。

5.2 積分電容

應選擇能提供最大電壓擺幅的電容，以確保不會使積分器飽和。對于 3 次讀數/秒（48kHz 時鐘），(C_{INT}) 的標稱值為 0.047μF；對于 1 次讀數/秒（16kHz），為 0.15μF。此外，電容應具有低介電吸收，聚丙烯電容是不錯的選擇。

5.3 自動調零電容

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

5.4 參考電容

大多數應用中，0.1μF 的電容效果良好。但當存在較大共模電壓且使用 200mV 量程時，需要使用 1μF 的電容以防止翻轉誤差。

5.5 振蕩器元件

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

5.6 參考電壓

對于 200mV 和 2V 量程，(V{REF}) 應分別等于 100mV 和 1V。在某些應用中，可根據實際情況直接使用輸入電壓并選擇合適的 (V{REF})，以提高系統的性能。

六、典型應用

ICL7126 具有廣泛的應用場景，以下是一些常見的應用電路：

6.1 內部參考應用

使用內部參考時，可實現 200mV 滿量程、3 次讀數/秒的測量，適用于浮動電源電壓（9V 電池）的情況。

6.2 外部帶隙參考應用

通過外部帶隙參考（1.2V 類型），可實現 2.0V 滿量程的測量，不同讀數速度下的元件值有所不同。

6.3 齊納二極管參考應用

使用齊納二極管參考時，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 其他應用

還可用于測量比例值、數字溫度計、開發欠量程和超量程信號、AC 到 DC 轉換等多種應用場景，充分展示了其多功能性。

七、總結

ICL7126 以其高性能、低功耗、多功能性和經濟性等特點，成為電子工程師在設計 A/D 轉換電路時的理想選擇。通過深入了解其工作原理、技術參數和元件值選擇方法，工程師們可以充分發揮其優勢，設計出更加高效、穩定的電路。在實際應用中，還需要根據具體需求選擇合適的參考源和元件值，以確保系統的性能和可靠性。你在使用 ICL7126 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。