低功耗3 1/2位A/D转换器ICL7136：技术解析与应用指南

在电子设计领域，A/D转换器是模拟信号与数字信号之间的桥梁，其性能直接影响到整个系统的精度和稳定性。今天我们要深入探讨的是Maxim公司的ICL7136，一款低功耗3 1/2位A/D转换器，它在众多应用场景中展现出了卓越的性能。

文件下载：ICL7136CMH+TD.pdf

一、产品概述

ICL7136是一款具有高输入阻抗的单片模拟 - 数字转换器。片上集成了段驱动器、段解码器、电压基准和时钟电路等有源组件，能够直接驱动非复用液晶（LCD）显示器，无需外部显示驱动电路。显著降低的功耗使其成为便携式系统的理想选择，同时具备多功能性和高精度的特点。

二、产品特性

1. 低功耗：功率耗散保证小于1mW，9V电池典型续航时间可达3000小时。
2. 快速恢复：保证从超量程状态快速恢复到第一次读数。
3. 零输入零读数：输入为零时，输出读数为零。
4. 低噪声：噪声峰 - 峰值为15μVp - p，无滞后或超量程残留效应。
5. 真差分基准和输入：采用单片、低功耗CMOS设计。
6. 增强的ESD保护：所有引脚设计可承受超过2000V的静电放电。
7. 增加输入电流最大额定值：输入电压可超过电源电压，只要输入电流限制在1mA。

三、电气特性

1. 零点输入读数

在0.0V输入、满量程为200.0mV、TA = 25°C的条件下，读数在 - 000.0到 + 000.0之间。

2. 比例读数

当VIN = VREF，VREF = 100mV，TA = 25°C时，读数为999/1000；在0°C ≤ TA ≤ + 70°C范围内，读数在999到1001之间。

3. 翻转误差

在VIN = + VIN = 200.0mV、TA = 25°C、满量程为200.0mV的条件下，误差为±0.2计数。

4. 线性度

满量程为200mV或2.000V时，最大偏差小于1计数。

5. 共模抑制比

在VCM = ±1V、VIN = 0V、满量程为200.0mV的条件下，典型值为5μV/V。

6. 噪声

在VIN = 0V、TA = 25°C时，峰 - 峰值不超过10μV；在0°C ≤ TA ≤ + 70°C范围内，不超过1μV。

7. 零点读数漂移

在0°C ≤ TA ≤ + 70°C范围内，漂移小于1μV/°C。

8. 比例因子温度系数

在0°C ≤ TA ≤ + 70°C范围内，为1 - 5ppm/°C。

9. 电源电流

在VIN = 0、0°C ≤ TA ≤ + 70°C范围内，为60 - 100μA。

四、工作原理

1. 模拟部分

每个测量周期分为四个阶段：

• 自动调零（A - Z）：输入引脚与内部模拟地短接，参考电容充电至参考电压，反馈回路闭合，自动调零电容CAZ充电以补偿比较器、缓冲放大器和积分器的失调电压。
• 信号积分（INT）：内部输入引脚与外部引脚连接，自动调零回路打开，转换器对IN - HI和IN - LO之间的差分电压进行固定时间的积分。
• 参考反积分（DI）：IN - HI连接到已充电的参考电容，IN - LO连接到模拟地，芯片内电路确保电容以正确极性连接，使积分器输出回到零。数字显示读数为1000 × (VIN / VREF)。
• 零积分（ZI）：输入低电平与模拟地短接，参考电容充电至参考电压，反馈回路闭合，使积分器输出回到零。此阶段通常持续11 - 140个时钟脉冲，在“重”超量程转换后延长至740个时钟脉冲。

2. 数字部分

内部数字地由电容电流产生，背板（BP）电压切换时，BP频率为时钟频率除以800。段驱动器以相同频率和幅度驱动，BP开启和关闭时相位不同。

3. 系统定时

时钟电路有三种实现方式：

• 在引脚39和40之间连接晶体。
• 外部振荡器连接到引脚40。
• 使用三个引脚构建RC振荡器。 十进制计数器由时钟频率除以4驱动，进一步分频形成四个转换周期阶段。信号积分应是60Hz的倍数以实现最大60Hz干扰抑制，不同的振荡器频率可用于不同的干扰抑制需求。

五、组件值选择

1. 自动调零电容

对于2V量程，0.1μF电容足够；对于200mV满量程，建议使用0.47μF电容以提高噪声抑制能力。

2. 参考电容

大多数应用中，0.1μF电容可接受；为防止量程翻转，建议使用1.0μF电容。

3. 积分电容

为确保积分器不饱和，应选择合适的积分电容。在每秒一次读数（16kHz时钟）时，CINT标称值为0.15μF。若使用不同的振荡器频率，应按反比例改变该值。

4. 积分电阻

积分电阻应足够大以保持放大器在整个输入电压范围内处于线性区域，同时应足够小以避免对PCB板的过度泄漏要求。对于200mV量程，建议使用180kΩ电阻；对于2V量程，使用1.8MΩ电阻。

5. 参考电压

对于2V和200mV量程，VREF应分别为1V和100mV。在许多应用中，输入电压和数字读数之间的比例因子可能不是1，可根据实际情况选择合适的VREF和积分电阻。

6. 振荡器组件

建议使用50pF电容，电阻根据公式i ≈ 0.45 / RC选择。对于48kHz时钟（每秒3次读数），R = 180kΩ；对于16kHz时钟，R = 560kΩ。

六、典型应用

ICL7136可用于各种数字面板仪表应用，如压力、电导、电压、电流、电阻、速度、温度和材料厚度等模拟数据的测量和显示。

七、总结

ICL7136以其低功耗、高精度和多功能性在A/D转换领域占据一席之地。在设计过程中，合理选择组件值和时钟频率，能够充分发挥其性能优势，满足不同应用场景的需求。你在使用ICL7136的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。