Maxim ICL7106/ICL7107：3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，A/D 轉(zhuǎn)換器是非常關(guān)鍵的元件，它能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬世界與數(shù)字世界的橋梁連接。今天我們就來(lái)深入探討 Maxim 公司推出的 ICL7106/ICL7107 這兩款 3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

ICL7106 和 ICL7107 屬于單片式模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），具有高輸入阻抗，并且無(wú)需外部顯示驅(qū)動(dòng)電路。片上的有源組件涵蓋極性和數(shù)字驅(qū)動(dòng)器、段解碼器、電壓基準(zhǔn)以及時(shí)鐘電路。ICL7106 可直接驅(qū)動(dòng)非復(fù)用液晶顯示器（LCD），而 ICL7107 則能直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極發(fā)光二極管（LED）顯示器。

二、核心特性亮點(diǎn)

2.1 性能與精度出色

• 雙斜率轉(zhuǎn)換技術(shù)：該技術(shù)能自動(dòng)抑制工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的干擾信號(hào)，在復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景下能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。大家可以思考一下，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，這種抗干擾能力能為系統(tǒng)帶來(lái)多大的穩(wěn)定性提升呢？
• 零積分器相位設(shè)計(jì)：Maxim 在 ICL7106 和 ICL7107 中加入了零積分器相位，消除了超量程殘留和滯后效應(yīng)，同時(shí)將翻轉(zhuǎn)誤差降至小于 1 個(gè)計(jì)數(shù)，零讀數(shù)漂移降至小于 1μV/°C，大大提高了測(cè)量的精度。

  2.2 高集成度與簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)

• 自帶顯示驅(qū)動(dòng)能力：無(wú)需外部電路，ICL7106 適用于 LCD 顯示，ICL7107 適用于 LED 顯示，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和成本。
• 高阻抗 CMOS 差分輸入：具有低噪聲（<15μV P - P）特性，且無(wú)滯后或超量程殘留問(wèn)題。

  2.3 寬溫度范圍穩(wěn)定性

  關(guān)鍵參數(shù)在溫度范圍內(nèi)有保證，能適應(yīng)不同的工作環(huán)境溫度，確保在各種條件下都能穩(wěn)定工作。

三、電氣特性剖析

3.1 基本測(cè)量參數(shù)

3.2 其他重要參數(shù)

• 共模抑制比：典型值可達(dá) 50μV/V，能有效抑制共模干擾。
• 噪聲：95% 的時(shí)間內(nèi)，峰 - 峰值不超過(guò) 15μV，保證了測(cè)量的穩(wěn)定性。
• 輸入泄漏電流：典型值為 1pA，最大值為 10pA，對(duì)輸入信號(hào)的影響極小。

四、工作原理與電路分析

4.1 測(cè)量周期階段

每個(gè)測(cè)量周期分為四個(gè)階段：

• 自動(dòng)調(diào)零（A - Z）：輸入引腳內(nèi)部短路到模擬公共端，參考電容充電，反饋環(huán)路閉合以補(bǔ)償比較器、緩沖放大器和積分器中的失調(diào)電壓。
• 信號(hào)積分（INT）：內(nèi)部輸入引腳連接到外部引腳，自動(dòng)調(diào)零環(huán)路打開(kāi)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行固定時(shí)間的積分。
• 參考反積分（DI）：IN - HI 連接到已充電的參考電容，IN - LO 連接到模擬公共端，積分器輸出返回零，數(shù)字讀數(shù)根據(jù)輸入信號(hào)和參考電壓計(jì)算得出。
• 零積分器（ZI）：輸入低電平短路到模擬公共端，參考電容充電，反饋環(huán)路閉合使積分器輸出返回零。

4.2 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 差分參考：參考電壓可在轉(zhuǎn)換器電源電壓范圍內(nèi)任意產(chǎn)生，為避免翻轉(zhuǎn)誤差，需選擇足夠大的參考電容。
• 差分輸入：輸入放大器能接受共模范圍內(nèi)的差分電壓，但要注意避免積分器輸出飽和。
• 模擬公共端：主要用于設(shè)置電池供電時(shí)的共模電壓，ICL7107 由于 LED 顯示驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部發(fā)熱，可能會(huì)影響模擬公共端的穩(wěn)定性，使用外部參考可避免此問(wèn)題。

五、組件值的選擇

5.1 自動(dòng)調(diào)零電容

在 2V 量程下，0.047μF 的電容足夠；在 200mV 滿量程且低噪聲操作要求高時(shí)，建議使用 0.47μF 的電容。

5.2 參考電容

大多數(shù)應(yīng)用中，0.1μF 的電容可接受，但在存在大共模電壓且使用 200mV 量程時(shí)，需使用 1.0μF 的電容以防止翻轉(zhuǎn)誤差。

5.3 積分電容

選擇合適的積分電容可確保積分器不飽和，建議使用聚丙烯電容以減小線性誤差。

5.4 積分電阻

電阻值應(yīng)足夠大以保持放大器在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)處于線性區(qū)域，同時(shí)又要足夠小以避免對(duì) PCB 板的泄漏要求過(guò)高。

5.5 振蕩器組件

推薦使用 100K 電阻，根據(jù)公式 (f = 0.45 / RC) 計(jì)算電容值。

5.6 參考電壓

根據(jù)不同量程和應(yīng)用需求選擇合適的參考電壓，可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并提高系統(tǒng)性能。

六、ICL7107 電源設(shè)計(jì)

ICL7107 設(shè)計(jì)用于 ±5V 電源供電，但在沒(méi)有負(fù)電源時(shí)，可通過(guò)時(shí)鐘輸出和簡(jiǎn)單的電路元件（如二極管、電容和 IC）生成負(fù)電源，也可使用 Maxim 的 ICL7660 和兩個(gè)電容生成 - 5V 電源。在滿足特定條件（使用外部參考、信號(hào)小于 ±1.5V、輸入信號(hào)可參考轉(zhuǎn)換器共模范圍中心）時(shí)，也可使用單 +5V 電源。

七、應(yīng)用與散熱考慮

ICL7106/ICL7107 廣泛應(yīng)用于數(shù)字面板儀表，可測(cè)量壓力、溫度、電壓等多種模擬數(shù)據(jù)。在 ICL7107 應(yīng)用中，由于 LED 顯示電流的吸收會(huì)產(chǎn)生熱量，波動(dòng)的芯片溫度可能導(dǎo)致顯示讀數(shù)變化?？赏ㄟ^(guò)降低 LED 共陽(yáng)極電壓來(lái)減少功率損耗，如在顯示電路中串聯(lián) 5.1Ω 電阻或 1 安二極管，能有效降低功率損耗和顯示功耗對(duì)參考電壓漂移的影響。

總之，Maxim ICL7106/ICL7107 以其出色的性能、高集成度和廣泛的適用性，為電子工程師在模擬信號(hào)數(shù)字化處理方面提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇組件值和電源方案，以充分發(fā)揮這兩款 A/D 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎一起交流探討。