深入解析ICL7136：高性能3 1/2位A/D转换器

在电子设计领域，A/D转换器是将模拟信号转换为数字信号的关键器件，其性能直接影响到整个系统的精度和稳定性。今天我们要探讨的是Intersil公司的ICL7136，一款高性能、低功耗的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。

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一、ICL7136概述

ICL7136集成了七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟等功能，专为与液晶显示器（LCD）接口设计，还包含多路复用背板驱动。它结合了高精度、多功能和经济性的特点，具有自动调零功能，零点漂移小于1μV/°C，输入偏置电流最大为10pA，翻转误差小于一个计数。其真正的差分输入和参考功能，在测量称重传感器、应变计和其他桥式传感器时具有独特优势。此外，单电源供电的特性使得仅需添加10个无源元件和一个显示器，就能构建高性能面板仪表。

ICL7136是ICL7126的改进版本，消除了过范围延迟和滞后效应，可在所有应用中替代ICL7126。同时，它也能在多种应用中作为ICL7106的直接替代品，只需更改无源元件即可。

二、产品特性

（一）高精度与稳定性

• 过范围恢复：在一个转换周期内实现首次读数过范围恢复，确保在输入信号超出量程时能快速准确地恢复正常测量。
• 零输入读数保证：在所有量程下，0V输入时保证零读数，且具有精确的零极性，便于精确零点检测。
• 低噪声：噪声小于15μVp-p，有效减少干扰，提高测量精度。
• 低漂移：零点读数漂移小于1μV/°C，确保在不同温度环境下测量的稳定性。

（二）低功耗设计

功耗小于1mW，适合电池供电的应用场景，延长设备的续航时间。

（三）兼容性与易用性

• 直接驱动LCD：可直接驱动LCD显示器，无需额外的驱动电路。
• 表面贴装封装：提供表面贴装封装选项，便于电路板的设计和组装。
• 引脚兼容：可直接替代ICL7126，无需任何更改。
• 环保设计：提供无铅加退火版本，符合RoHS标准。

三、电气规格

（一）绝对最大额定值

• 电源电压：V+至V-最大为15V。
• 模拟输入电压：任一输入的模拟输入电压范围为V+至V-。
• 参考输入电压：任一输入的参考输入电压范围为V+至V-。

（二）工作条件

• 热阻：PDIP封装典型热阻为50°C/W，MQFP封装为75°C/W。
• 最大结温：150°C。
• 最大存储温度范围：-65°C至150°C。
• 最大引脚温度（焊接10s）：MQFP封装引脚尖端最大为300°C。

（三）电气参数

• 系统性能：零输入读数在±000.0范围内，比例读数为999/1000至1000，翻转误差小于±1计数，线性度小于±1计数，共模抑制比典型值为50μV/V，噪声小于15μV，泄漏电流输入最大为10pA，零点读数漂移小于1μV/°C，比例因子温度系数小于5ppm/°C。
• 电源电流：V+电源电流典型值为70μA，最大为100μA。
• 显示驱动器：峰 - 峰段驱动电压和峰 - 峰背板驱动电压为4V至6V。

四、设计信息

（一）振荡器相关参数

• 振荡器频率：(f{OSC}=0.45 / RC)，其中(C{OSC}>50pF)，(R{OSC}>50kΩ)，典型值(f{OSC}=48kHz)。
• 振荡器周期：(t_{OSC}=RC / 0.45)。
• 积分时钟频率：(f{CLOCK}=f{OSC} / 4)。
• 积分周期：(t{INT}=1000×(4 / f{OSC}))。

（二）其他关键参数

• 60/50Hz抑制准则：(t{INT} / t{60Hz})或(t{INT} / t{50Hz})为整数。
• 最佳积分电流：(I_{INT}=1μA)。
• 满量程模拟输入电压：典型值为200mV或2V。
• 积分电阻：(R{INT}=V{INFS} / I_{INT})。
• 积分电容：(C{INT}=(t{INT})(I{INT}) / V{INT})。
• 积分器输出电压摆幅：((V - + 0.5V){INT}<(V + - 0.5V))，典型值(V{INT}=2V)。
• 显示计数：(COUNT = 1000×(V{IN} / V{REF}))。
• 转换周期：(t{CYC}=t{CLOCK}×4000=t{OSC}×16000)，当(f{OSC}=48kHz)时，(t_{CYC}=333ms)。
• 共模输入电压：((V - + 1V)
• 自动调零电容：(0.01μF
• 参考电容：(0.1μF

五、引脚描述

ICL7136有40引脚DIP和44引脚扁平封装两种形式，各引脚具有不同的功能，包括电源引脚（V+、V - ）、显示驱动引脚（用于驱动LCD各段）、积分器相关引脚（INT、BUFF、A - Z）、输入引脚（IN LO、IN HI）、参考引脚（REF LO、REF HI）、测试引脚（TEST）等。这些引脚的合理连接和使用是实现ICL7136正常工作的关键。

六、工作原理

（一）模拟部分

每个测量周期分为四个阶段：

• 自动调零阶段（A - Z）：输入高低端与引脚断开并内部短接到模拟公共端，参考电容充电到参考电压，反馈回路闭合给自动调零电容充电，以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压，输入失调小于10μV。
• 信号积分阶段（INT）：自动调零回路打开，内部短路去除，内部输入高低端连接到外部引脚，转换器对IN HI和IN LO之间的差分电压进行固定时间积分，该差分电压可在较宽的共模范围内，最后确定积分信号的极性。
• 反积分阶段（DE）：输入低端内部连接到模拟公共端，输入高端连接到先前充电的参考电容，芯片内电路确保电容以正确极性连接，使积分器输出返回零，输出返回零所需时间与输入信号成正比。
• 零积分阶段（ZI）：输入低端短接到模拟公共端，参考电容充电到参考电压，反馈回路闭合使积分器输出返回零，正常情况下此阶段持续11至140个时钟脉冲，重过范围转换后延长到740个时钟脉冲。

（二）数字部分

内部数字地由6V齐纳二极管和大P沟道源极跟随器产生，背板（BP）电压切换时可吸收较大电容电流。BP频率为时钟频率除以800，段驱动频率和幅度与BP相同，段关闭时与BP同相，开启时反相，段两端直流电压可忽略不计。极性指示在模拟输入为负时开启，可通过反转IN LO和IN HI来反转极性指示。

七、系统定时

ICL7136有两种基本时钟安排：外部振荡器连接到DIP引脚40，或使用R - C振荡器连接三个引脚。振荡器频率先除以4，再进一步分频形成三个转换周期阶段：信号积分（1000计数）、参考反积分（0至2000计数）和自动调零（1000至3000计数），完整测量周期为4000计数（16000个时钟脉冲），与输入电压无关。为实现对60Hz或50Hz干扰的最大抑制，应选择合适的振荡器频率。

八、元件值选择

（一）积分电阻

缓冲放大器和积分器的A类输出级静态电流为100μA，可提供1μA驱动电流且非线性可忽略。2V满量程时，1.8MΩ接近最佳值；200mV量程时，180kΩ为合适值。

（二）积分电容

应选择能提供最大电压摆幅且确保容差累积不会使积分器饱和的电容，以模拟公共端为参考时，+2V满量程积分器摆幅较为合适。3次读数/秒（48kHz时钟）时，(C_{INT})典型值分别为0.047μF和0.5μF，不同振荡器频率下需按反比调整。同时，积分电容应具有低介电吸收特性，聚丙烯电容是不错的选择。

（三）自动调零电容

200mV满量程时，推荐使用0.47μF电容以降低噪声；2V量程时，0.047μF电容可提高过载恢复速度，且噪声满足要求。

（四）参考电容

大多数应用中，0.1μF电容效果良好。当存在较大共模电压且使用200mV量程时，需使用1μF电容以防止翻转误差。

（五）振荡器元件

推荐使用180kΩ电阻，电容根据公式(f = 0.45 / RC)选择，48kHz时钟（3次读数/秒）时，(C = 50pF)。

九、参考电压

产生满量程输出（2000计数）所需的模拟输入为(V{IN}=2V{REF})，200mV和2V量程时，(V{REF})分别为100mV和1V。在许多与传感器连接的应用中，输入电压与数字读数之间的比例因子可能不为1，可直接使用输入电压并选择合适的(V{REF})，这样可使系统更安静，避免输入分压网络。此外，通过在IN HI和公共端之间连接电压传感器，在公共端和IN LO之间连接可变或固定偏移电压，可方便地产生零数字读数时(V_{IN}≠0)的情况。

十、典型应用

ICL7136具有广泛的应用场景，以下是一些典型应用示例：

• 数字温度计：利用硅二极管连接的晶体管温度系数约为 -2mV/°C的特性，通过在冰水和沸水中校准，可实现数字摄氏度温度计的功能。
• 欠范围和过范围信号电路：从ICL7136输出开发欠范围和过范围信号，用于系统的状态监测和控制。
• AC - DC转换器：与ICL7136结合实现交流到直流的转换，用于交流信号的测量。

十一、总结

ICL7136以其高精度、低功耗、多功能和易用性等特点，成为电子工程师在设计A/D转换系统时的理想选择。在实际应用中，合理选择元件值、理解其工作原理和系统定时，能够充分发挥ICL7136的性能优势，实现高质量的模拟信号到数字信号的转换。大家在使用ICL7136进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。