深入解析ICL7136：高性能3 1/2位A/D轉換器

在電子設計領域，A/D轉換器是將模擬信號轉換為數字信號的關鍵器件，其性能直接影響到整個系統的精度和穩定性。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、ICL7136概述

ICL7136集成了七段譯碼器、顯示驅動器、參考源和時鐘等功能，專為與液晶顯示器（LCD）接口設計，還包含多路復用背板驅動。它結合了高精度、多功能和經濟性的特點，具有自動調零功能，零點漂移小于1μV/°C，輸入偏置電流最大為10pA，翻轉誤差小于一個計數。其真正的差分輸入和參考功能，在測量稱重傳感器、應變計和其他橋式傳感器時具有獨特優勢。此外，單電源供電的特性使得僅需添加10個無源元件和一個顯示器，就能構建高性能面板儀表。

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

二、產品特性

（一）高精度與穩定性

• 過范圍恢復：在一個轉換周期內實現首次讀數過范圍恢復，確保在輸入信號超出量程時能快速準確地恢復正常測量。
• 零輸入讀數保證：在所有量程下，0V輸入時保證零讀數，且具有精確的零極性，便于精確零點檢測。
• 低噪聲：噪聲小于15μVp-p，有效減少干擾，提高測量精度。
• 低漂移：零點讀數漂移小于1μV/°C，確保在不同溫度環境下測量的穩定性。

（二）低功耗設計

功耗小于1mW，適合電池供電的應用場景，延長設備的續航時間。

（三）兼容性與易用性

• 直接驅動LCD：可直接驅動LCD顯示器，無需額外的驅動電路。
• 表面貼裝封裝：提供表面貼裝封裝選項，便于電路板的設計和組裝。
• 引腳兼容：可直接替代ICL7126，無需任何更改。
• 環保設計：提供無鉛加退火版本，符合RoHS標準。

三、電氣規格

（一）絕對最大額定值

• 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。
• 最大結溫：150°C。
• 最大存儲溫度范圍：-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

• 系統性能：零輸入讀數在±000.0范圍內，比例讀數為999/1000至1000，翻轉誤差小于±1計數，線性度小于±1計數，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，零點讀數漂移小于1μV/°C，比例因子溫度系數小于5ppm/°C。
• 電源電流：V+電源電流典型值為70μA，最大為100μA。
• 顯示驅動器：峰 - 峰段驅動電壓和峰 - 峰背板驅動電壓為4V至6V。

四、設計信息

（一）振蕩器相關參數

• 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)。
• 積分時鐘頻率：(f{CLOCK}=f{OSC} / 4)。
• 積分周期：(t{INT}=1000×(4 / f{OSC}))。

（二）其他關鍵參數

• 60/50Hz抑制準則：(t{INT} / t{60Hz})或(t{INT} / t{50Hz})為整數。
• 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)。
• 顯示計數：(COUNT = 1000×(V{IN} / V{REF}))。
• 轉換周期：(t{CYC}=t{CLOCK}×4000=t{OSC}×16000)，當(f{OSC}=48kHz)時，(t_{CYC}=333ms)。
• 共模輸入電壓：((V - + 1V)
• 自動調零電容：(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 - ）、顯示驅動引腳（用于驅動LCD各段）、積分器相關引腳（INT、BUFF、A - Z）、輸入引腳（IN LO、IN HI）、參考引腳（REF LO、REF HI）、測試引腳（TEST）等。這些引腳的合理連接和使用是實現ICL7136正常工作的關鍵。

六、工作原理

（一）模擬部分

每個測量周期分為四個階段：

• 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公共端，參考電容充電到參考電壓，反饋回路閉合給自動調零電容充電，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。
• 信號積分階段（INT）：自動調零回路打開，內部短路去除，內部輸入高低端連接到外部引腳，轉換器對IN HI和IN LO之間的差分電壓進行固定時間積分，該差分電壓可在較寬的共模范圍內，最后確定積分信號的極性。
• 反積分階段（DE）：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，輸出返回零所需時間與輸入信號成正比。
• 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11至140個時鐘脈沖，重過范圍轉換后延長到740個時鐘脈沖。

（二）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）電壓切換時可吸收較大電容電流。BP頻率為時鐘頻率除以800，段驅動頻率和幅度與BP相同，段關閉時與BP同相，開啟時反相，段兩端直流電壓可忽略不計。極性指示在模擬輸入為負時開啟，可通過反轉IN LO和IN HI來反轉極性指示。

七、系統定時

ICL7136有兩種基本時鐘安排：外部振蕩器連接到DIP引腳40，或使用R - C振蕩器連接三個引腳。振蕩器頻率先除以4，再進一步分頻形成三個轉換周期階段：信號積分（1000計數）、參考反積分（0至2000計數）和自動調零（1000至3000計數），完整測量周期為4000計數（16000個時鐘脈沖），與輸入電壓無關。為實現對60Hz或50Hz干擾的最大抑制，應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類輸出級靜態電流為100μA，可提供1μA驅動電流且非線性可忽略。2V滿量程時，1.8MΩ接近最佳值；200mV量程時，180kΩ為合適值。

（二）積分電容

應選擇能提供最大電壓擺幅且確保容差累積不會使積分器飽和的電容，以模擬公共端為參考時，+2V滿量程積分器擺幅較為合適。3次讀數/秒（48kHz時鐘）時，(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整。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

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

（四）參考電容

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

（五）振蕩器元件

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

九、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})，200mV和2V量程時，(V{REF})分別為100mV和1V。在許多與傳感器連接的應用中，輸入電壓與數字讀數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})，這樣可使系統更安靜，避免輸入分壓網絡。此外，通過在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，可方便地產生零數字讀數時(V_{IN}≠0)的情況。

十、典型應用

ICL7136具有廣泛的應用場景，以下是一些典型應用示例：

• 數字溫度計：利用硅二極管連接的晶體管溫度系數約為 -2mV/°C的特性，通過在冰水和沸水中校準，可實現數字攝氏度溫度計的功能。
• 欠范圍和過范圍信號電路：從ICL7136輸出開發欠范圍和過范圍信號，用于系統的狀態監測和控制。
• AC - DC轉換器：與ICL7136結合實現交流到直流的轉換，用于交流信號的測量。

十一、總結

ICL7136以其高精度、低功耗、多功能和易用性等特點，成為電子工程師在設計A/D轉換系統時的理想選擇。在實際應用中，合理選擇元件值、理解其工作原理和系統定時，能夠充分發揮ICL7136的性能優勢，實現高質量的模擬信號到數字信號的轉換。大家在使用ICL7136進行設計時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區分享交流。