MEMS地震检波器前端低噪声放大器专用集成芯片(ASIC)关键技术研究

In recent years, all-digital seismometer based on MEMS technology has become a trend. However, the amplifiers at the back-end of the MEMS sensor, as its own low-frequency noise are relatively large, the minimum detected seismic signal are limited, thereby restrict the overall dynamic range of MEMS digital seismometer. The project intends to adopt two-channel alternating automatic-correction technology and pseudo-random nested-chopper technology, to eliminate the residual low-frequency noise always existing in the traditional chopper amplifiers, to further reduce the noise of the amplifiers, and to enhance dynamic range of MEMS seismometer. At the same time, because the integrated chip is the core of the MEMS digital seismometer, no independent intellectual property rights of the integrated chip, heavily dependent on foreign imports, directly restrict the development of seismic exploration instruments. Therefore, this project aims to design and implement an extremely low noise and low offset amplifier chip, applied in front-end of MEMS digital seismometer, not only fill the gaps in the field of high precision seismic exploration chip, but also provide technical support for the development of independent intellectual property rights high precision seismic exploration instruments in China, having significant research value and market prospects.

近年来，基于MEMS技术的全数字地震检波器已成为发展趋势。然而，作为MEMS传感器后端的放大器，由于其自身在低频段的噪声比较大，限制了可检测到的最小地震信号，进而制约了整体MEMS地震检波器的动态范围。本项目拟采用两通道交替式自动纠正技术与伪随机嵌套式斩波技术，消除传统斩波放大器中的残余低频噪声，进一步降低斩波放大器的噪声，提高MEMS地震检波器的动态范围。同时，由于集成芯片是MEMS地震检波器的核心，没有自主知识产权的集成芯片，严重依赖国外进口，直接制约了我国地震勘探仪器的发展。因此，本项目拟设计并实现一款应用于MEMS地震检波器前端的极低噪声放大器专用集成芯片，不仅可填补我国在高精度地震勘探芯片领域的空白，而且为我国具有自主知识产权的高精度地震勘探仪器的发展提供技术支撑，具有重要的研究意义和市场前景。

项目的背景：作为数据采集的关键设备，地震检波器性能的优劣严重影响着地震数据采集的质量。MEMS数字地震检波器以其精度高、体积小、易组网等优点，在地震勘探领域具有广阔的应用前景。MEMS数字地震检波器一般由MEMS传感器和专用集成芯片（ASIC）组成。MEMS传感器前端的放大器在低频段具有较大的噪声，对幅值很小的地震信号无法有效检测，从而制约了 MEMS 数字地震检波器的动态范围。因此，降低放大器的低频段噪声对提高检波器的动态范围有着重要作用。本项目重点研究并设计了一款应用于MEMS地震检波器中的低噪声放大器专用集成芯片，为我国MEMS地震检波器的发展提供了重要的技术支撑。.主要研究内容：1.完成传统降噪技术的总结，分析其存在的缺点；2.提出一种两通道交替式自动纠正技术，完成可行性分析并验证其有效性；3.基于本项目提出的降噪技术，完成低噪声放大器专用集成芯片的电路设计。主要包括时钟模块、斩波器、跨导放大器以及自调零反馈通路；4.完成低噪声放大器专用集成芯片的版图设计以及后仿真验证，并完成版图的优化；5.完成低噪声放大器芯片的测试工作。.主要研究成果：本项目研究并实现了一款应用于MEMS数字地震检波器的低噪声放大器专用集成芯片，为我国具有自主知识产权的高精度地震勘探仪器的发展提供了技术支撑。依托于本项目，累计发表国际SCI期刊论文13篇，其中，负责人以第一或通信作者发表国际SCI期刊论文10篇，包括1篇领域内TOP期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》。结合本项目的研究成果，申请发明专利4项，已获授权1项。