LCD/LCM微电流除噪实验研究

摘要：在LCD/LCM的质量控制中，对微电流的测量是影响器件质量的重要因素。针对微电流测量设计了把微电流信号转换成电压信号的检测电路，包括放大和滤波功能；提出了一种用模拟开关自动切换量程，以及用输入时钟脉冲调整电流截止频率的设计方案。仿真显示得到较好效果。

关键词：LCD/LCM；微电流；放大；滤波；仿真

中图分类号：TN141文献标识码：A

Experimental Study for Noise Filtering to Micro-current

of LCD/LCM

YANG Chuan-gui,CHEN Shou-qiang,DAI Xiao-hui

(School of Mechanical Engineering and Automation, XHU, Chengdu 610039,China)

Abstract: In the quality control ofLCD/LCM, the measure to micro-current is the important factors to the result of detection. Detection circuit converted from micro-current signal to voltage signal is designed in the measurement of micro-current, including the function of amplifying and filtering .A design project is proposed to control automatically current range with analog switch and adjust cut-off frequency of current with clock pulse inputed .Simulation shows the result is better.

Keywords: LCD/LCM ;micro-current ;amplifying;filtering ;simulation

引 言

在对LCD/LCM信号测量中，需要得到精确的信号测量值，而LCD/LCM信号是微电流，其大小范围通常是10-15A~10-3A。微弱信号极易受到环境因素的干扰，甚至被淹没在背景噪声中。在对微弱信号测量中，某个环节的一个微小缺陷就会使测量精度严重恶化。当电流小到1nA时，测量就变得非常困难。常用的测量工具灵敏度有限，难以满足需求，而满足需求的设备又有体积大、量程小、需要预热，以及供电复杂等缺点。本文对影响电路性能的因素做了简单分析，在此基础上设计采样电路先将微弱电流信号采样和一级滤波，而后对采样信号进行二级滤波。

1影响对LCD/LCM微电流测量的因素

干扰是指影响测控仪表或装置系统正常工作的"噪声信号"。干扰的来源是多方面的，归纳起来有内部干扰源和外部干扰源之分。内部干扰源是元器件内部物理性的无规则波动所产生的，包括热噪声、散粒噪声、闪烁噪声、放大器噪声和开关器件产生的噪声等。外部干扰源主要来源于自然界和工业现场，包括雷电、外部电磁波和现场电源等。

1.1内部干扰源

（1）热噪声

热噪声，又称为电阻噪声。其发生机理是，电阻中的自由电子做不规则的热运动时产生电位差从而产生热噪声。它与温度成正比，由下面的奈奎斯特公式表示：

En2=4KTRrB（1）

其中，En：噪声电压有效值；K：波耳兹曼常数（1.38×10-23J・K-1）;T:绝对温度（K）;Rr:噪声源阻值；B：系统的频带宽度（Hz）。

由公式(1)可见，热噪声由于来自于器件自身内阻，从而无法从根本消除，宜尽可能选择阻值比较小的电阻。同时热噪声与频率大小无关，故也称为白噪声。热噪声与频带宽成正比，具有一定的功率谱。因此，降低热噪声可从元件的工作温度入手，如采用散热、恒温等方法；同时也可以选择窄频带的放大器和相敏检出器来有效降低噪声。

（2） 散粒噪声

散粒噪声的噪声源为晶体管，其机理是由到达电极的带电粒子的波动引起电流的波动而形成的。相应的表达式是：

In2=2kIDCB （2）

式中，In为散粒噪声电流有效值（A），IDC为到达电极的电流（A），k为单位电荷（k=1.602×10-19C）,B为系统的频带宽度（Hz）。由此可见，使用双极型晶体管的前置放大器来放大采集系统到输出信号的场合，IDC取值应尽可能小。同时，也可选择窄频带的放大器来降低散粒噪声电流。

（3）闪烁噪声

当电流流过具有陷阱晶格缺陷的元件电阻时，就会产生闪烁噪声。其噪声电压表示为：

Ef2=αVDC2（B/f ）（3）

式中，α为比例系数，VDC=IDCR，为外加支路电压。

闪烁噪声的大小一般用噪声指数NI表示。以十倍频程内的噪声为基准，噪声指数定义为：

NI=10log(Vf2/VDC2) = 20log(Ef/VDC)(dB)（4）

由于VDC=IDCR含有电阻参数，故噪声指数与电阻值有关；不同材料的电阻元件，其噪声指数范围不同。碳膜电阻NI为[0，20dB],金属膜电阻NI为[-40dB，10dB],绕线电阻的噪声指数很小，运算放大电路里最好使用绕线电阻。

由公式（3）可以推算闪烁噪声电压谱密度。

十倍程内闪烁噪声电压的平均值为：

Ef2= α VDC2 In10 (5)

由（4）式和（5）式得:

Ef2=B VDC2100.1NI/2.303

闪烁噪声电压谱密度为：

Ef/=VDC100.05NI/1.517f(uV/)

（4） 放大器的噪声

集成运算放大器是目前应用最为广泛的一类模拟电路，具有高精度、高增益、宽频带、高输入阻抗的特点，用于微弱信号的检测和信号处理之中，通常由输入差分放大级、复合结构放大级和互补输出级构成。对于多级放大电路而言，当第一级具有较大的增益时，整个运放电路的噪声主要由第一级的噪声决定。运放输入级的噪声通常包括放大管的噪声、电阻负载或有源负载的噪声和偏置恒流源的噪声。当输入级增益及负载均较大，而且失调较小时，运放的噪声性质主要取决于输入级放大管的噪声。

1.2外部干扰源

外部干扰主要来自自然界的干扰和工业现场各种电气设备的干扰。例如自然界中的雷电，无线电发射装置发出的电磁波，生产现场中的电弧、高压放电，电火花加工产生的电磁干扰，电源的工频干扰等。

2LCD/LCM微电流的采样和一级滤波

LCD/LCM所输出的微电流是驱动电压加在VLCD像素的电极上产生的，由于电极之间是液晶（电阻为10MΩ~1，000MΩ），因此加驱动电压VLCD后产生的电流一般可达uA级甚至nA级。

图1是LCD/LCM微电流的采样和一级滤波电路。

电路首先对输入的微电流进行采样，微电流经过前置的斩波稳零运算放大器ICL7650的反相端，通过由模拟开关Kx(x=1,2,3,4)控制的反馈电阻R1~R4把电流信号转换成电压信号。其中模拟开关Kx控制电流量程进行自动切换，其目的是为了降低由于输入偏置电流IB产生的漂移，对应不同量程电流的偏置电路进行转换，响应频率随负反馈电阻R1~R4而变，电阻大小由输入的直流而定。

随后转换的电压信号经过放大器A2和A3 。A2和A3是高精度低漂移器件ADOP07CN，其充当滤波和调零处理，具有极高的时间稳定性。

最后电路通过A4、A5和A6组成的一级三阶低通滤波电路。改变电路中Cf和Rf值，就可在宽范围内任意确定通带特性，且电路增益、Q值均可独立设定而不相互影响。

电路的相关参数为放大倍数[2.000,18×105， 3.000,9×105]和输出电压[0，10V]。

3LCD/LCM微电流的二级滤波

图2是LCD/LCM微电流的二级滤波电路。

电路中U1是MAX291。MAX291是MAXIM公司的单芯片的采用开关电容8次低通滤波器。时钟输入端CLK加电压源方波信号，若改变输入时钟频率可改变截止频率，且截止频率为时钟频率的1/100。电路中R1和R2组成衰减器，目的是使失真不急剧增大。

电路中U2是检测输入输出之间的直流电压差，并加到U3同相输入端。当输入电压为0V时，输出端产生的漂移电压最大值可达0.4V，电压经过U2到U3，就可抵消漂移电压。

电路U3采用T型反馈电阻网络，可以消除温度漂移；U3主用于平滑U1输出阶梯状波形，以增强其效果。

4电路仿真

仿真条件：输入信号是直流信号电流源，放大倍数是2.25×105，噪声参考源为交流信号源（频率是3,000Hz,温度是37℃），时钟输入端加+5V电平的方波信号；仿真工具是Electronics Workbench公司的Multisim9软件。

实验所得的信号幅频特性，如图3所示。

在给定的仿真条件下，在得到的采样信号幅频特性图中，滤波器通带增益平坦，相位线度较好。

仿真结果表明，实验效果较好，符合设计要求。

5结 论

本文介绍了LCD/LCM微信号除噪的一种方法，并设计了一种具体的电路。该电路已在实验室的条件下得到检测。仿真结果表明，该电路可以提高信号提取的速度和精度，稳定性较好。

本文的工作仅仅是一个开端，今后应更详细考虑电路本身和所处具体环境，使其电路的精度更高，速度更快，以达到对LCD/LCM的更高的质量控制。

参考文献

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[2]熊伟,侯传教,梁青,孟涛.Multisim 7电路设计及仿真应用[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[3]许自图.电子电路原理分析与仿真[M].北京：电子工业出版社,2006.

[4]肖景和.集成电路运算放大器应用精粹[M].北京：人民邮电出版社,2006.

作者简介：杨传贵（1978- ），男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为数控技术，E-mail：。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文