MAX138/MAX139/MAX140：3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)解析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬世界與數(shù)字世界之間的橋梁，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。MAXIM 公司的 MAX138/MAX139/MAX140 3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，憑借其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和豐富的功能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。今天，我們就來(lái)深入了解一下這幾款轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

1. 基本功能

MAX138 和 MAX139 分別是帶有板載 LCD 和 LED 顯示驅(qū)動(dòng)器的 3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，并且都包含一個(gè)電荷泵電壓反相器。這使得它們能夠在單電源電壓（+2.5V 至 +7V）下工作，同時(shí)測(cè)量正、負(fù)輸入電壓。MAX140 是 MAX139 的低段電流版本，適用于低電流 LED 顯示屏。

2. 應(yīng)用場(chǎng)景

這些轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備中，如 +5V 供電的面板儀表、+3V 供電的數(shù)字萬(wàn)用表、儀器、便攜式監(jiān)視器、體重秤和數(shù)字溫度計(jì)等。

二、引腳配置與特性

1. 引腳配置

MAX138/MAX139/MAX140 的引腳配置有多種形式，包括 40 引腳塑料 DIP、44 引腳 MQFP 和 44 引腳 PLCC 等。不同的引腳承擔(dān)著不同的功能，例如 V+ 為電源正極，GND 為接地，IN HI 和 IN LO 用于輸入差分電壓等。

2. 特性優(yōu)勢(shì)

• 單電源工作：支持 +2.5V 至 +7.0V 的單電源供電，降低了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
• 正負(fù)電壓測(cè)量：通過(guò)電荷泵電壓反相器，能夠測(cè)量正、負(fù)輸入電壓，拓展了應(yīng)用范圍。
• 內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)：提供穩(wěn)定的參考電壓，減少了外部元件的使用。
• 板載顯示驅(qū)動(dòng)：方便與 LCD 或 LED 顯示屏連接，實(shí)現(xiàn)直觀的顯示功能。
• 低段電流（MAX140）：適用于對(duì)功耗要求較高的低電流 LED 顯示應(yīng)用。

三、電氣特性

1. 通用特性

在典型測(cè)試條件下（V+ = +5V，TA = +25°C），這些轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出了良好的性能。例如，零輸入讀數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在 -000.0 至 +000.0 之間；滿量程輸入時(shí)，數(shù)字讀數(shù)接近 999/1000；翻轉(zhuǎn)誤差較小，線性度偏差在 ±0.2 計(jì)數(shù)以內(nèi)；共模抑制比可達(dá) 50μV/N 等。

2. 不同型號(hào)特性

• MAX138：其峰 - 峰段驅(qū)動(dòng)電壓和峰 - 峰背板驅(qū)動(dòng)電壓在 4V 至 6V 之間，測(cè)試引腳電壓相對(duì)于 V+ 也在這個(gè)范圍內(nèi)。
• MAX139/MAX140：段驅(qū)動(dòng)電流根據(jù)引腳不同有所差異，例如 MAX139 除引腳 19 外，段驅(qū)動(dòng)電流典型值為 9mA，引腳 19 為 18mA；MAX140 除引腳 19 外，段驅(qū)動(dòng)電流典型值為 2.5mA，引腳 19 為 5mA。

四、轉(zhuǎn)換方法與參考電壓

1. 轉(zhuǎn)換方法

MAX138/MAX139/MAX140 采用雙斜率積分轉(zhuǎn)換方法，并增加了自動(dòng)調(diào)零階段和零積分階段。自動(dòng)調(diào)零階段用于補(bǔ)償緩沖器和積分器的偏移，零積分階段確保從超量程轉(zhuǎn)換中快速恢復(fù)。轉(zhuǎn)換結(jié)果為 1000x(IN HI - IN LO)/(REF HI - REF LO)，最大轉(zhuǎn)換結(jié)果為 ±1999。

2. 參考電壓

COMMON 電壓由帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生，與早期使用齊納二極管產(chǎn)生 COMMON 電壓的設(shè)備相比，帶隙基準(zhǔn)源消除了與低電流齊納二極管相關(guān)的長(zhǎng)期漂移問(wèn)題。雖然 COMMON 電壓的寬帶噪聲比齊納二極管產(chǎn)生的稍大，但使用 0.1μF 或更大的參考電容可以有效降低帶寬，幾乎消除噪聲。

五、組件選擇與應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. 組件選擇

• 積分電阻（RINT）：通常選擇使最大電流為 1.1μA 的值，例如對(duì)于 1V 參考電壓，RINT 為 1.8MΩ；對(duì)于 100mV 參考電壓，RINT 為 180kΩ。由于 RINT 的絕對(duì)值不影響轉(zhuǎn)換精度，其類型不是關(guān)鍵因素。
• 積分電容：推薦使用聚丙烯電容，因?yàn)槠涞徒殡娢仗匦钥梢詼p少積分線性誤差。合適的積分電容值應(yīng)使?jié)M量程輸入電壓時(shí)積分器輸出（INT）擺動(dòng)約 ±2V。
• 參考電容：大多數(shù)電路中，0.1μF 的參考電容即可滿足要求。若參考電容端子存在顯著雜散電容，需要增大電容值以防止翻轉(zhuǎn)誤差。同時(shí)，應(yīng)注意 PCB 清潔，減少 CREF 端子的泄漏。
• 自動(dòng)調(diào)零電容：為獲得最佳噪聲性能，自動(dòng)調(diào)零電容值至少應(yīng)為積分電容值的 4 倍。在 2V 量程下，0.047μF 電容即可；在 200mV 滿量程下，推薦使用 0.47μF 或更大的電容。
• 電荷泵電容：電荷泵電容應(yīng)選擇 1μF。

2. 應(yīng)用注意事項(xiàng)

• 共模電壓范圍：在低電源電壓或 IN LO 或 IN HI 接近電源時(shí)，需要仔細(xì)評(píng)估共模電壓的影響。MAX138/MAX139/MAX140 的共模電壓范圍有一定限制，例如緩沖器輸入和積分器的共模電壓范圍為 (V - + 1.5V) 至 (V+ - 1.5V)，IN LO 不得高于 COMMON 1.0V。
• 低電池檢測(cè)：利用 COMMON 和 V+ 之間的電壓關(guān)系，可以使用晶體管電壓檢測(cè)器制作簡(jiǎn)單的低電池檢測(cè)器。
• 過(guò)載顯示：當(dāng)輸入電壓超過(guò)滿量程時(shí)，最低三位數(shù)字將被消隱，正過(guò)載顯示“1”，負(fù)過(guò)載顯示“ - 1”。
• 非線性問(wèn)題：積分器輸出飽和可能導(dǎo)致嚴(yán)重的非線性，可通過(guò)增加積分電容值或改變振蕩器頻率來(lái)解決。使用聚酯（Mylar）積分電容可能會(huì)在滿量程時(shí)產(chǎn)生 2 至 3 計(jì)數(shù)的非線性，建議使用聚丙烯電容以獲得最佳線性度。
• 增益和翻轉(zhuǎn)誤差：積分器輸出電流能力超出范圍會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的增益誤差，應(yīng)確保 RINT > VREF/0.6μA。增益誤差小于十計(jì)數(shù)通常是由于 CREF 端子的雜散電容過(guò)多或 PCB 泄漏引起的。
• LCD 顯示問(wèn)題：LCD 顯示屏上出現(xiàn)缺失段的問(wèn)題通常不是 MAX138 的問(wèn)題，而是 LCD 連接器或邊框的開(kāi)路問(wèn)題。
• 噪聲問(wèn)題：噪聲讀數(shù)的常見(jiàn)原因包括輸入信號(hào)噪聲、積分器擺動(dòng)低、自動(dòng)調(diào)零電容值小、噪聲信號(hào)的雜散耦合以及電源電壓旁路不良等。可以通過(guò)增加輸入濾波器電容、增大自動(dòng)調(diào)零電容值、減少雜散耦合和改善電源旁路等方法來(lái)解決。

六、應(yīng)用提示

1. 參考應(yīng)用電路

可以參考 ICL7136 和 ICL7106 的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其中的各種應(yīng)用電路也適用于 MAX138/MAX139/MAX140。

2. 特殊應(yīng)用模式

在某些應(yīng)用中，可以在 IN HI 和 IN LO 之間施加固定參考電壓，將信號(hào)施加到 REF HI 和 REF LO，此時(shí)顯示讀數(shù)與輸入電壓成反比。例如在 RPM 計(jì)和電導(dǎo)計(jì)中，這種模式可以實(shí)現(xiàn)特定的測(cè)量功能。

3. 串行輸出

通過(guò)監(jiān)測(cè) CREF 端子的電壓，并使用與門將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)與振蕩器輸出相結(jié)合，可以從 MAX138/MAX139/MAX140 獲得串行輸出脈沖流。

4. 極性反轉(zhuǎn)處理

如果輸入信號(hào)極性與期望極性相反，可以使用負(fù)號(hào)段驅(qū)動(dòng)正號(hào)的豎線，并使用小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電路永久打開(kāi)正號(hào)的橫線，實(shí)現(xiàn)極性顯示的反轉(zhuǎn)。

MAX138/MAX139/MAX140 3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器以其豐富的功能和良好的性能，為電子工程師在設(shè)計(jì)各種測(cè)量和顯示設(shè)備時(shí)提供了可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，正確選擇組件和注意相關(guān)應(yīng)用事項(xiàng)，能夠充分發(fā)揮這些轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度、穩(wěn)定的測(cè)量和顯示功能。你在使用這些轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。