地震采集站中低噪聲跨導放大器集成芯片的研究與設計

于瀾婭　趙曉

【摘 要】在地震采集站中，放大器作為采集板的前端部分，其性能會對整個設備的采集工作造成影響。因此我們要保證前端放大器在工作狀態中的誤差盡可能減小，從而保證地震波信號采集的準確性。對地震采集站的前端低噪聲跨導放大器的不同類型的噪聲分別采取不同的方法進行降噪，全頻段的熱噪聲主要采用提升放大器的跨導進行降噪，低頻部分的閃爍噪聲（1/f噪聲）主要采用斬波穩定技術進行降噪。

【關鍵詞】地震采集站;低噪聲;跨導放大器;斬波穩定技術

中圖分類號： P631.4文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）29-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.008

Research and Design of Integrated Chips for? Low Noise Transconductance Amplifiers in Seismic Acquisition Stations

YU Lan-ya ZHAO Xiao

（School of Geophysics and Geoinformation Technology China University of Geosciences

〈Beijing〉，Beijing 100083，China）

【Abstract】In the seismic acquisition station，the amplifier acts as the front end of the acquisition board，and its performance affects the collection of the entire device.Therefore，we must ensure that the error of the front-end amplifier in the working state is minimized，thus ensuring the accuracy of seismic wave signal acquisition.Different methods are used to reduce the noise of different types of noise of the front-end low-noise transconductance amplifier of the seismic acquisition station.The thermal noise of the whole frequency band is mainly used to reduce the noise of the transconductance of the boosting amplifier，and the flicker noise of the low frequency part（1/f Noise）mainly uses chopper stabilization technology for noise reduction.

【Key words】Seismic collection station;Low noise;Transconductance amplifier;Chopper stabilization technology

0 緒論

（1）地震數據采集

地震數據采集是油氣地震勘探工程的第一項工作，亦為最為重要的一步工作。在這道工序中必不可少的儀器就是地震檢波器和地震采集站。圖1為地震數據采集流程圖。

圖1 地震數據采集流程

（2）項目意義及背景

在現代科技飛速發展的同時，各個國家對石油資源、礦產資源等稀有資源的需求逐步增加，內陸海底的探索進一步加深，這些工作都需要對地震數據的采集和分析，所以對地震數據采集的關鍵部件——地震采集站的性能要求特別高，即要求它低噪聲、高精度、高效率等，這些均是科技發展的必然結果。在地震儀器飛速發展的階段，儀器越來越趨向微型化，但由于我國芯片技術發展緩慢以及國外對該技術的壟斷及壓迫，與地震有關的芯片有著不錯的發展趨勢，同時相應技術的研究及制造刻不容緩。

1 放大器噪聲分析

1.1 放大器噪聲來源

噪聲是一個隨機過程。簡單介紹兩種MOS晶體管的主要噪聲種類[5]。

1.1.1 熱噪聲

MOS晶體管具有熱噪聲，其最大的噪聲源是在晶體管的溝道中產生。對于在飽和區工作的長溝道MOS器件來看，溝道中的噪聲可以等效表示為一個在漏端和源端之間連接著的電流源，其譜密度為

I■■=4kT？酌gm（1）

公式（1）中，k=1.38×10-23J/K是玻爾茲曼常數，T是開爾文單位溫度。在不同類型的晶體管中的系數？酌的值不盡相同。

1.1.2 閃爍噪聲（1/f噪聲）

在MOS晶體管的硅襯底和柵氧化層之間的界面有一個硅單晶的邊界，這個界面里有很多單晶硅的懸掛鍵，在這之中如果有電荷載流子流過時，單晶硅懸掛鍵可能會隨機俘獲一些載流子然后又被釋放，所以會在漏電流中產生“閃爍噪聲”。其譜密度為

V■■=■■（2）

公式（2）中，K是常量，它的值受CMOS工藝影響，數量級是10-25V2F。噪聲譜密度反比于頻率，所以又叫它1/f噪聲。以熱噪聲作為參照，將1/f噪聲量化處理，將二者的噪聲譜在同一個坐標系中顯示。如圖2。根據曲線圖，在轉角頻率左側，也就是低頻段，主要存在的是1/f噪聲;而右側主要就是熱噪聲。

圖2 轉角頻率

2 電路仿真

2.1 FC、RFC放大器噪聲仿真

為了更直觀地看出前后噪聲的變化，將FC放大器、RFC放大器的噪聲仿真圖整理到同一坐標系中，如圖3所示。根據結果可清晰地得到，優化改進后的跨導放大器電路結構所產生的噪聲，明顯低于改進之前放大器的噪聲，實現了低噪聲。

圖3 改進前后放大器的噪聲對比

2.2 斬波電路仿真

將調制器進行仿真。由圖4可以看出，解調后的信號會出現些許的波紋，這是正常產生，需要調試消去。

圖4 解調后的輸出信號

3 結論

對本設計中主要完成的工作以及得到的成果和結論總結如下：

（1）對自動調零技術和穩定斬波技術兩種放大器降噪技術從原理上進行了分析;并提出低噪聲跨導放大器設計方法是提升跨導與斬波技術相結合。

（2）學習新的技術并使用斬波技術相結合加入電路。信號在全頻段的噪聲由于增大了整個跨導放大器的跨導，從而有了大幅度降低;斬波穩定技術將信號在低頻段的噪聲調制到高頻段，進而通過低通濾波器可以將其濾除。

（3）將設計好的跨導放大器分模塊、分層次，完成自底而上的版圖繪制。

【參考文獻】

[1]張啟升，鄧明，楊鹍鵬，等.SoPC技術在高精度地電數據采集中的應用[J].現代地質，2012，26（06）：1306-1311.

[2]劉昇輝.地震及電法分布式混合采集系統中電源站的研制[D].碩士學位論文.北京：中國地質大學（北京），2018.

[3]王衛東.模擬電子電路基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）[M].高等教育出版社，2006.

[5]畢查德·拉扎維（Behzad Razavi）.模擬CMOS集成電路設計（陳貴燦等）[M].西安：西安交通大學出版社，2003，165-178.

[6]史柱，魏海龍，劉文平，等.一種低失調電壓的軌到軌運算放大器[J].微電子學與計算機，2018，35（10）：58-61.