MAX138/MAX139/MAX140：3 1/2 位 A/D 转换器的技术解析与应用指南

在电子设计领域，A/D 转换器是模拟世界与数字世界之间的桥梁，其性能直接影响到整个系统的精度和稳定性。MAXIM 公司的 MAX138/MAX139/MAX140 3 1/2 位 A/D 转换器，凭借其独特的设计和丰富的功能，在众多应用场景中表现出色。今天，我们就来深入了解一下这几款转换器。

文件下载：MAX139CMH+D.pdf

一、产品概述

1. 基本功能

MAX138 和 MAX139 分别是带有板载 LCD 和 LED 显示驱动器的 3 1/2 位 A/D 转换器，并且都包含一个电荷泵电压反相器。这使得它们能够在单电源电压（+2.5V 至 +7V）下工作，同时测量正、负输入电压。MAX140 是 MAX139 的低段电流版本，适用于低电流 LED 显示屏。

2. 应用场景

这些转换器广泛应用于各种设备中，如 +5V 供电的面板仪表、+3V 供电的数字万用表、仪器、便携式监视器、体重秤和数字温度计等。

二、引脚配置与特性

1. 引脚配置

MAX138/MAX139/MAX140 的引脚配置有多种形式，包括 40 引脚塑料 DIP、44 引脚 MQFP 和 44 引脚 PLCC 等。不同的引脚承担着不同的功能，例如 V+ 为电源正极，GND 为接地，IN HI 和 IN LO 用于输入差分电压等。

2. 特性优势

• 单电源工作：支持 +2.5V 至 +7.0V 的单电源供电，降低了电源设计的复杂性。
• 正负电压测量：通过电荷泵电压反相器，能够测量正、负输入电压，拓展了应用范围。
• 内部带隙基准：提供稳定的参考电压，减少了外部元件的使用。
• 板载显示驱动：方便与 LCD 或 LED 显示屏连接，实现直观的显示功能。
• 低段电流（MAX140）：适用于对功耗要求较高的低电流 LED 显示应用。

三、电气特性

1. 通用特性

在典型测试条件下（V+ = +5V，TA = +25°C），这些转换器表现出了良好的性能。例如，零输入读数在一定温度范围内稳定在 -000.0 至 +000.0 之间；满量程输入时，数字读数接近 999/1000；翻转误差较小，线性度偏差在 ±0.2 计数以内；共模抑制比可达 50μV/N 等。

2. 不同型号特性

• MAX138：其峰 - 峰段驱动电压和峰 - 峰背板驱动电压在 4V 至 6V 之间，测试引脚电压相对于 V+ 也在这个范围内。
• MAX139/MAX140：段驱动电流根据引脚不同有所差异，例如 MAX139 除引脚 19 外，段驱动电流典型值为 9mA，引脚 19 为 18mA；MAX140 除引脚 19 外，段驱动电流典型值为 2.5mA，引脚 19 为 5mA。

四、转换方法与参考电压

1. 转换方法

MAX138/MAX139/MAX140 采用双斜率积分转换方法，并增加了自动调零阶段和零积分阶段。自动调零阶段用于补偿缓冲器和积分器的偏移，零积分阶段确保从超量程转换中快速恢复。转换结果为 1000x(IN HI - IN LO)/(REF HI - REF LO)，最大转换结果为 ±1999。

2. 参考电压

COMMON 电压由带隙基准源产生，与早期使用齐纳二极管产生 COMMON 电压的设备相比，带隙基准源消除了与低电流齐纳二极管相关的长期漂移问题。虽然 COMMON 电压的宽带噪声比齐纳二极管产生的稍大，但使用 0.1μF 或更大的参考电容可以有效降低带宽，几乎消除噪声。

五、组件选择与应用注意事项

1. 组件选择

• 积分电阻（RINT）：通常选择使最大电流为 1.1μA 的值，例如对于 1V 参考电压，RINT 为 1.8MΩ；对于 100mV 参考电压，RINT 为 180kΩ。由于 RINT 的绝对值不影响转换精度，其类型不是关键因素。
• 积分电容：推荐使用聚丙烯电容，因为其低介电吸收特性可以减少积分线性误差。合适的积分电容值应使满量程输入电压时积分器输出（INT）摆动约 ±2V。
• 参考电容：大多数电路中，0.1μF 的参考电容即可满足要求。若参考电容端子存在显著杂散电容，需要增大电容值以防止翻转误差。同时，应注意 PCB 清洁，减少 CREF 端子的泄漏。
• 自动调零电容：为获得最佳噪声性能，自动调零电容值至少应为积分电容值的 4 倍。在 2V 量程下，0.047μF 电容即可；在 200mV 满量程下，推荐使用 0.47μF 或更大的电容。
• 电荷泵电容：电荷泵电容应选择 1μF。

2. 应用注意事项

• 共模电压范围：在低电源电压或 IN LO 或 IN HI 接近电源时，需要仔细评估共模电压的影响。MAX138/MAX139/MAX140 的共模电压范围有一定限制，例如缓冲器输入和积分器的共模电压范围为 (V - + 1.5V) 至 (V+ - 1.5V)，IN LO 不得高于 COMMON 1.0V。
• 低电池检测：利用 COMMON 和 V+ 之间的电压关系，可以使用晶体管电压检测器制作简单的低电池检测器。
• 过载显示：当输入电压超过满量程时，最低三位数字将被消隐，正过载显示“1”，负过载显示“ - 1”。
• 非线性问题：积分器输出饱和可能导致严重的非线性，可通过增加积分电容值或改变振荡器频率来解决。使用聚酯（Mylar）积分电容可能会在满量程时产生 2 至 3 计数的非线性，建议使用聚丙烯电容以获得最佳线性度。
• 增益和翻转误差：积分器输出电流能力超出范围会导致严重的增益误差，应确保 RINT > VREF/0.6μA。增益误差小于十计数通常是由于 CREF 端子的杂散电容过多或 PCB 泄漏引起的。
• LCD 显示问题：LCD 显示屏上出现缺失段的问题通常不是 MAX138 的问题，而是 LCD 连接器或边框的开路问题。
• 噪声问题：噪声读数的常见原因包括输入信号噪声、积分器摆动低、自动调零电容值小、噪声信号的杂散耦合以及电源电压旁路不良等。可以通过增加输入滤波器电容、增大自动调零电容值、减少杂散耦合和改善电源旁路等方法来解决。

六、应用提示

1. 参考应用电路

可以参考 ICL7136 和 ICL7106 的数据手册，其中的各种应用电路也适用于 MAX138/MAX139/MAX140。

2. 特殊应用模式

在某些应用中，可以在 IN HI 和 IN LO 之间施加固定参考电压，将信号施加到 REF HI 和 REF LO，此时显示读数与输入电压成反比。例如在 RPM 计和电导计中，这种模式可以实现特定的测量功能。

3. 串行输出

通过监测 CREF 端子的电压，并使用与门将转换结束信号与振荡器输出相结合，可以从 MAX138/MAX139/MAX140 获得串行输出脉冲流。

4. 极性反转处理

如果输入信号极性与期望极性相反，可以使用负号段驱动正号的竖线，并使用小数点驱动电路永久打开正号的横线，实现极性显示的反转。

MAX138/MAX139/MAX140 3 1/2 位 A/D 转换器以其丰富的功能和良好的性能，为电子工程师在设计各种测量和显示设备时提供了可靠的选择。在实际应用中，正确选择组件和注意相关应用事项，能够充分发挥这些转换器的优势，实现高精度、稳定的测量和显示功能。你在使用这些转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。