地震采集站中低噪声跨导放大器集成芯片的研究与设计

于澜娅　赵晓

【摘 要】在地震采集站中，放大器作为采集板的前端部分，其性能会对整个设备的采集工作造成影响。因此我们要保证前端放大器在工作状态中的误差尽可能减小，从而保证地震波信号采集的准确性。对地震采集站的前端低噪声跨导放大器的不同类型的噪声分别采取不同的方法进行降噪，全频段的热噪声主要采用提升放大器的跨导进行降噪，低频部分的闪烁噪声（1/f噪声）主要采用斩波稳定技术进行降噪。

【关键词】地震采集站;低噪声;跨导放大器;斩波稳定技术

中图分类号： P631.4文献标识码： A文章编号： 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 绪论

（1）地震数据采集

地震数据采集是油气地震勘探工程的第一项工作，亦为最为重要的一步工作。在这道工序中必不可少的仪器就是地震检波器和地震采集站。图1为地震数据采集流程图。

图1 地震数据采集流程

（2）项目意义及背景

在现代科技飞速发展的同时，各个国家对石油资源、矿产资源等稀有资源的需求逐步增加，内陆海底的探索进一步加深，这些工作都需要对地震数据的采集和分析，所以对地震数据采集的关键部件——地震采集站的性能要求特别高，即要求它低噪声、高精度、高效率等，这些均是科技发展的必然结果。在地震仪器飞速发展的阶段，仪器越来越趋向微型化，但由于我国芯片技术发展缓慢以及国外对该技术的垄断及压迫，与地震有关的芯片有着不错的发展趋势，同时相应技术的研究及制造刻不容缓。

1 放大器噪声分析

1.1 放大器噪声来源

噪声是一个随机过程。简单介绍两种MOS晶体管的主要噪声种类[5]。

1.1.1 热噪声

MOS晶体管具有热噪声，其最大的噪声源是在晶体管的沟道中产生。对于在饱和区工作的长沟道MOS器件来看，沟道中的噪声可以等效表示为一个在漏端和源端之间连接着的电流源，其谱密度为

I■■=4kT？酌gm（1）

公式（1）中，k=1.38×10-23J/K是玻尔兹曼常数，T是开尔文单位温度。在不同类型的晶体管中的系数？酌的值不尽相同。

1.1.2 闪烁噪声（1/f噪声）

在MOS晶体管的硅衬底和栅氧化层之间的界面有一个硅单晶的边界，这个界面里有很多单晶硅的悬挂键，在这之中如果有电荷载流子流过时，单晶硅悬挂键可能会随机俘获一些载流子然后又被释放，所以会在漏电流中产生“闪烁噪声”。其谱密度为

V■■=■■（2）

公式（2）中，K是常量，它的值受CMOS工艺影响，数量级是10-25V2F。噪声谱密度反比于频率，所以又叫它1/f噪声。以热噪声作为参照，将1/f噪声量化处理，将二者的噪声谱在同一个坐标系中显示。如图2。根据曲线图，在转角频率左侧，也就是低频段，主要存在的是1/f噪声;而右侧主要就是热噪声。

图2 转角频率

2 电路仿真

2.1 FC、RFC放大器噪声仿真

为了更直观地看出前后噪声的变化，将FC放大器、RFC放大器的噪声仿真图整理到同一坐标系中，如图3所示。根据结果可清晰地得到，优化改进后的跨导放大器电路结构所产生的噪聲，明显低于改进之前放大器的噪声，实现了低噪声。

图3 改进前后放大器的噪声对比

2.2 斩波电路仿真

将调制器进行仿真。由图4可以看出，解调后的信号会出现些许的波纹，这是正常产生，需要调试消去。

图4 解调后的输出信号

3 结论

对本设计中主要完成的工作以及得到的成果和结论总结如下：

（1）对自动调零技术和稳定斩波技术两种放大器降噪技术从原理上进行了分析;并提出低噪声跨导放大器设计方法是提升跨导与斩波技术相结合。

（2）学习新的技术并使用斩波技术相结合加入电路。信号在全频段的噪声由于增大了整个跨导放大器的跨导，从而有了大幅度降低;斩波稳定技术将信号在低频段的噪声调制到高频段，进而通过低通滤波器可以将其滤除。

（3）将设计好的跨导放大器分模块、分层次，完成自底而上的版图绘制。

【参考文献】

[1]张启升，邓明，杨鹍鹏，等.SoPC技术在高精度地电数据采集中的应用[J].现代地质，2012，26（06）：1306-1311.

[2]刘昇辉.地震及电法分布式混合采集系统中电源站的研制[D].硕士学位论文.北京：中国地质大学（北京），2018.

[3]王卫东.模拟电子电路基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社，2006.

[5]毕查德·拉扎维（Behzad Razavi）.模拟CMOS集成电路设计（陈贵灿等）[M].西安：西安交通大学出版社，2003，165-178.

[6]史柱，魏海龙，刘文平，等.一种低失调电压的轨到轨运算放大器[J].微电子学与计算机，2018，35（10）：58-61.