地震采集站中低噪聲跨導(dǎo)放大器集成芯片的研究與設(shè)計(jì)

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(gè)設(shè)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(tài)中的誤差盡可能減小，從而保證地震波信號采集的準(zhǔn)確性。對地震采集站的前端低噪聲跨導(dǎo)放大器的不同類型的噪聲分別采取不同的方法進(jìn)行降噪，全頻段的熱噪聲主要采用提升放大器的跨導(dǎo)進(jìn)行降噪，低頻部分的閃爍噪聲（1/f噪聲）主要采用斬波穩(wěn)定技術(shù)進(jìn)行降噪。

【關(guān)鍵詞】地震采集站;低噪聲;跨導(dǎo)放大器;斬波穩(wěn)定技術(shù)

中圖分類號： P631.4文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)據(jù)采集

地震數(shù)據(jù)采集是油氣地震勘探工程的第一項(xiàng)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(shù)據(jù)采集流程圖。

圖1 地震數(shù)據(jù)采集流程

（2）項(xiàng)目意義及背景

在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的同時(shí)，各個(gè)國家對石油資源、礦產(chǎn)資源等稀有資源的需求逐步增加，內(nèi)陸海底的探索進(jìn)一步加深，這些工作都需要對地震數(shù)據(jù)的采集和分析，所以對地震數(shù)據(jù)采集的關(guān)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(fā)展的必然結(jié)果。在地震儀器飛速發(fā)展的階段，儀器越來越趨向微型化，但由于我國芯片技術(shù)發(fā)展緩慢以及國外對該技術(shù)的壟斷及壓迫，與地震有關(guān)的芯片有著不錯(cuò)的發(fā)展趨勢，同時(shí)相應(yīng)技術(shù)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(gè)隨機(jī)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(chǎn)生。對于在飽和區(qū)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(gè)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(shù)，T是開爾文單位溫度。在不同類型的晶體管中的系數(shù)？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(gè)硅單晶的邊界，這個(gè)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(shí)，單晶硅懸掛鍵可能會隨機(jī)俘獲一些載流子然后又被釋放，所以會在漏電流中產(chǎn)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(shù)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(gè)坐標(biāo)系中顯示。如圖2。根據(jù)曲線圖，在轉(zhuǎn)角頻率左側(cè)，也就是低頻段，主要存在的是1/f噪聲;而右側(cè)主要就是熱噪聲。

圖2 轉(zhuǎn)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(biāo)系中，如圖3所示。根據(jù)結(jié)果可清晰地得到，優(yōu)化改進(jìn)后的跨導(dǎo)放大器電路結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的噪聲，明顯低于改進(jìn)之前放大器的噪聲，實(shí)現(xiàn)了低噪聲。

圖3 改進(jìn)前后放大器的噪聲對比

2.2 斬波電路仿真

將調(diào)制器進(jìn)行仿真。由圖4可以看出，解調(diào)后的信號會出現(xiàn)些許的波紋，這是正常產(chǎn)生，需要調(diào)試消去。

圖4 解調(diào)后的輸出信號

3 結(jié)論

對本設(shè)計(jì)中主要完成的工作以及得到的成果和結(jié)論總結(jié)如下：

（1）對自動調(diào)零技術(shù)和穩(wěn)定斬波技術(shù)兩種放大器降噪技術(shù)從原理上進(jìn)行了分析;并提出低噪聲跨導(dǎo)放大器設(shè)計(jì)方法是提升跨導(dǎo)與斬波技術(shù)相結(jié)合。

（2）學(xué)習(xí)新的技術(shù)并使用斬波技術(shù)相結(jié)合加入電路。信號在全頻段的噪聲由于增大了整個(gè)跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)，從而有了大幅度降低;斬波穩(wěn)定技術(shù)將信號在低頻段的噪聲調(diào)制到高頻段，進(jìn)而通過低通濾波器可以將其濾除。

（3）將設(shè)計(jì)好的跨導(dǎo)放大器分模塊、分層次，完成自底而上的版圖繪制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張啟升，鄧明，楊鹍鵬，等.SoPC技術(shù)在高精度地電數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2012，26（06）：1306-1311.

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

[3]王衛(wèi)東.模擬電子電路基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（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(shè)計(jì)（陳貴燦等）[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003，165-178.

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