解析ICL7136：高性能低功耗3 1/2位A/D轉換器

在電子設計領域，高性能、低功耗的A/D轉換器一直是工程師們關注的焦點。Intersil的ICL7136就是這樣一款令人矚目的產品，它集高精度、多功能和經濟性于一身，為各類電子設備的設計提供了強大支持。

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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轉換器，內部集成了七段譯碼器、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，具備多路復用背板驅動功能。相比ICL7126，ICL7136進行了改進，消除了超量程滯后和磁滯效應，可在所有應用中替代ICL7126；同時，在很多應用場景下，它也能作為ICL7106的直接替代品，只需更換無源元件。

（一）產品特性

1. 超量程恢復能力：能在一個轉換周期內實現首次讀數的超量程恢復。
2. 零輸入讀數保證：在所有量程下，0V輸入時保證零讀數。
3. 精確極性顯示：零位時具有精確的極性顯示，便于精確零點檢測。
4. 低輸入電流：典型輸入電流僅1pA。
5. 真差分輸入和參考：直接驅動LCD顯示，具備低噪聲特性，峰 - 峰值噪聲小于15μV。
6. 片上時鐘和參考：無需額外的有源電路，功耗低于1mW。
7. 封裝形式多樣：有表面貼裝封裝可供選擇，還提供無鉛加退火版本，符合RoHS標準。

（二）訂購信息

需要注意的是，無鉛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

（一）絕對最大額定值

• 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。最大結溫為150°C，最大存儲溫度范圍為 - 65°C到150°C，MQFP封裝引腳焊接10s時的最大溫度為300°C（僅引腳尖端）。

（三）電氣規格

在TA = 25°C、fCLOCK = 48kHz的條件下，ICL7136的各項電氣性能指標表現出色，例如：

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

三、設計信息與工作原理

（一）設計參數

• 振蕩器頻率：(f_{OSC}=0.45 / RC) 。
• 積分時鐘頻率、周期等：積分周期 (t{INT}=1000×(4 / f{OSC})) ，轉換周期 (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：如自動調零電容 (0.01μF < C{AZ}< 1μF) ，參考電容 (0.1μF < C{REF}< 1μF) 等。

（二）工作原理

ICL7136的每個測量周期分為四個階段：

1. 自動調零階段（A - Z）：輸入高低端與引腳斷開并內部短接到模擬COMMON，參考電容充電到參考電壓，反饋回路閉合給自動調零電容 (C_{AZ}) 充電，以補償緩沖放大器、積分器和比較器的失調電壓，輸入失調小于10μV。
2. 信號積分階段（INT）：自動調零回路打開，內部短接去除，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積分，可在較寬的共模范圍內工作。
3. 反積分階段（DE）：輸入低端內部連接到模擬COMMON，高端連接到之前充電的參考電容，芯片內電路確保電容極性正確，使積分器輸出回到零，輸出回到零所需時間與輸入信號成正比，數字顯示讀數為 (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11 - 140個時鐘脈沖，超量程轉換后會延長到740個時鐘脈沖。

四、引腳說明與應用電路

（一）引腳說明

ICL7136的引腳功能豐富，涵蓋電源、顯示驅動、輸入輸出、參考等多個方面。例如，V + 和V - 為電源引腳，D1 - D3、C1 - C3等為顯示段驅動引腳，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）典型應用電路

文檔中給出了多種典型應用電路，如用于200mV滿量程的測試電路，以及數字溫度計、交流轉直流轉換器等應用電路。這些電路展示了ICL7136的多功能性，可滿足不同的設計需求。

五、組件值選擇

（一）積分電阻

緩沖放大器和積分器的A類輸出級靜態電流為100μA，可提供1μA的驅動電流且非線性可忽略。對于2V滿量程，1.8MΩ的積分電阻接近最優；對于200mV量程，180kΩ較為合適。

（二）積分電容

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

（三）自動調零電容

對于200mV滿量程，建議使用0.47μF的電容以降低噪聲；對于2V量程，0.047μF的電容可提高過載恢復速度且能滿足噪聲要求。

（四）參考電容

大多數應用中，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，需使用1μF的電容以防止翻轉誤差。

（五）振蕩器組件

推薦使用180kΩ的電阻，電容根據公式 (f=frac{0.45}{RC}) 選擇，對于48kHz時鐘（每秒3次讀數），(C = 50pF) 。

（六）參考電壓

產生滿量程輸出（2000計數）所需的模擬輸入為 (V{IN}=2V{REF}) 。對于200mV和2V量程，(V{REF}) 應分別為100mV和1V。在一些應用中，可直接使用輸入電壓并選擇合適的 (V{REF}) ，以簡化電路并降低噪聲。

六、總結

ICL7136憑借其高性能、低功耗、多功能等特性，在電子設計領域具有廣泛的應用前景。無論是在數字面板儀表、溫度計、交流轉直流轉換器等應用中，還是在需要高精度A/D轉換的場合，ICL7136都能發揮出色的性能。工程師們在設計過程中，可根據具體需求合理選擇組件值，以實現最佳的設計效果。你在使用ICL7136進行設計時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。