MIT5530陣列感應(yīng)測井儀前置放大電路設(shè)計

黨峰，陳濤，李夢春，馬驍，江友宏，劉偉

（中國石油集團(tuán)測井有限公司技術(shù)中心，陜西西安710077）

MIT5530陣列感應(yīng)測井儀前置放大電路設(shè)計

黨峰，陳濤，李夢春，馬驍，江友宏，劉偉

（中國石油集團(tuán)測井有限公司技術(shù)中心，陜西西安710077）

根據(jù)微弱信號檢測技術(shù)和電路低噪聲設(shè)計基本原理，結(jié)合陣列感應(yīng)儀器本身的接收信號強(qiáng)度微弱、干擾嚴(yán)重等特性，分析陣列感應(yīng)測井儀器前置放大電路的低噪聲單位增益緩沖級模塊、第1級放大模塊、第2級放大模塊及溫度補(bǔ)償模塊的設(shè)計重點和難點；對電路進(jìn)行時域、頻域和噪聲特性仿真；對其溫度性能進(jìn)行實際測試，得出其主要的性能指標(biāo)。分析前置放大電路容易出現(xiàn)的故障并提出解決措施。驗證該前置放大器的可行性和實用性。

陣列感應(yīng)測井儀器；微弱信號；前置放大電路；性能；仿真

0 引 言

高精度、高分辨率多頻陣列感應(yīng)成像測井儀器MIT5530與常規(guī)感應(yīng)測井儀器相比，能提供5種徑向探測深度的合成電阻率曲線，徑向電阻率剖面成像，所提供的井下信息很好地克服了井眼、侵入、圍巖等環(huán)境影響和趨膚效應(yīng)的影響，拓寬感應(yīng)測井的應(yīng)用范圍，可以進(jìn)行復(fù)雜的地層侵入解釋和薄層分析，對準(zhǔn)確評價油氣儲藏有重要的作用。

在實際的測井作業(yè)中，工作環(huán)境惡劣、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儀器受外界噪聲干擾十分嚴(yán)重，尤其是當(dāng)儀器在高電阻率地層測量時，二次感應(yīng)信號變得十分微弱，致使測量精度明顯下降，甚至根本無法得到有用的地層信息，給測井解釋帶來很大的困難。對于微弱信號檢測，關(guān)鍵措施之一就是盡量減少測量過程中引入的觀測噪聲，而前置放大器是引入噪聲的主要部件之一［1］。本文所設(shè)計的前置放大電路具有低噪聲、寬頻帶、高輸入阻抗和低輸出阻抗等特點。

1 前置放大電路的理論分析與設(shè)計

本文設(shè)計的前置放大電路采用分立元器件與集成電路相結(jié)合的方法，其目的在于更有效抑制前置放大電路的內(nèi)部噪聲，以差分電路結(jié)構(gòu)為主體，優(yōu)選電路芯片以及合理的電路設(shè)計抑制共模干擾噪聲，提高前置放大電路對微弱信號的放大能力。設(shè)計原理見圖1。

1.1 低噪聲單位增益緩沖級

低噪聲單位增益緩沖級（雙晶體管Q1）是典型的共集電極電路［2］，偏置電流由溫度補(bǔ)償恒流源提供，集電極的偏置電壓由穩(wěn)壓管1N935B提供。為了實現(xiàn)輸入阻抗高、輸出阻抗低的設(shè)計目標(biāo)，選擇了β值較高的雙極型晶體管。

圖1 陣列感應(yīng)測井儀前置放大電路設(shè)計原理圖

LM194的電流放大倍數(shù)β見表1。由表1可知，LM194的電流放大倍數(shù)隨著集電極電流的變化而變化，為了能夠使LM194獲得最大的電流放大倍數(shù)β，應(yīng)使恒流源提供的電流為1mA。由表1可知，這時LM194的電流放大倍數(shù)β為700。通過共集電極電路輸入阻抗的計算公式［2］可求得該前置放大電路的輸入阻抗約為200kΩ。

表1 LM194電流放大倍數(shù)［3］

1.2 第1級放大

經(jīng)單位增益緩沖電路后，信號進(jìn)入前置放大電路的第1級低噪聲放大級，該級由Q2、Q3組成，其中Q2構(gòu)成了共射極放大電路，Q3組成共基極放大電路，兩者級聯(lián)構(gòu)成低噪聲放大模塊。低噪聲放大模塊的信號輸入口為Q3的基極，這樣可求得Q3的射極電流

式中，IQ3E為晶體管Q3的射極電流；re是晶體管Q3的基極與發(fā)射極的動態(tài)電阻；Rs如圖1所示。re可通過式（2）［2］求得

式中，VT為26mV；IQ3DCE為晶體管Q3靜態(tài)點時的發(fā)射極電流［2］。Q3的發(fā)射極電流是由恒流源LM3045提供的，為了獲得低噪聲的特性，設(shè)計Q3的發(fā)射極電流為1mA，當(dāng)LM194的集電極電流為1mA時，晶體管的噪聲特性是最好的［3］（見圖2）。圖2中，橫坐標(biāo)為信號的頻率，縱軸為輸入噪聲，在盡量滿足低噪聲的情況下，選擇IC＝1mA最為合適，此時可求得式（2）中re＝25Ω。由于恒流源LM3045的內(nèi)阻非常大，所以，這里認(rèn)為所有的電流都將流經(jīng)Rs，且對于對管Q3而言，左右兩部分的電流是相等的。又Q3的發(fā)射極電流約等于共基極的Q2的集電極電流，所以對于第1級放大部分的輸出電壓可以表示為

式中，VU03和VU02分別為運算放大器HA－2520的正端輸入與負(fù)端輸入的電壓值，R17和R18如圖1所示。

圖2 輸入噪聲與頻率關(guān)系圖

求得第1級放大的電壓增益為聯(lián)合式（3）和式（1）可以求得第1級的電壓增益約為29.9。

1.3 第2級放大模塊

運算放大器U0是構(gòu)成前置放大電路的第2級放大電路的主要器件，該部分的差分信號由第1級放大電路提供，第2級放大電路的反饋網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定電路工作點，消除共模噪聲的性能，反饋網(wǎng)絡(luò)包括雙晶體管Q4，以及R20、R21、R15、R16、R23、R11和2支22pF的電容。Q4的意義在于能夠有效消除反饋網(wǎng)絡(luò)中的共模干擾噪聲。反饋網(wǎng)絡(luò)中的電流完全進(jìn)入到第1級放大模塊，設(shè)U0的輸出電壓為Vout，所以加到Q4的基極電壓VQ4B為

又因為Q4的發(fā)射極阻抗RQ4E為

所以Q4的發(fā)射極電流也即Q4的集電極電流為

維生素D的前體（生成維生素D的原料）存在于我們的皮膚中，當(dāng)陽光照射皮膚時會發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為維生素D3，最后在體內(nèi)會轉(zhuǎn)化為維生素D最有效的狀態(tài)。然后維生素D將和甲狀旁腺激素以及降血鈣素協(xié)同作用來平衡血液中鈣離子和磷的含量，特別是增強(qiáng)人體對鈣離子的吸收能力。

因為基極電流很小，所以在對電路進(jìn)行分析時，集電極電流約等于發(fā)射極電流。反饋網(wǎng)絡(luò)的電流全部進(jìn)入Rs與Q3的發(fā)射極，所以可以求得Q2的集電極輸出電流為

聯(lián)合式（1）、式（5）、式（6）、式（7）和式（8）可以求得

由圖1，將式（9）中的值分別代入，求得

1.4 溫度補(bǔ)償

溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是由隨溫度變化的電流源組成，包括晶體管LM3045、LM113（1.21V），電阻R24、R23、R22、R17、R8以及電容。由于前置放大電路的增益在某種程度上受到Q3、Q4基－射極間的動態(tài)電阻影響，又re與發(fā)射極的偏置電流成反比，與絕對溫度成正比。偏置電流隨絕對溫度上升，從而很大程度上抑制了re的溫度變化，這種技術(shù)不僅穩(wěn)定電路的增益，而且降低了輸入噪聲受溫度的影響。電阻R24向LM113提供偏置電壓1.21V。

2 前置放大電路的模擬仿真與分析

采用計算機(jī)模擬仿真軟件Pspice進(jìn)行模擬仿真。從前置放大電路的靜態(tài)工作點仿真結(jié)果看，電路中的每只晶體管均處于放大狀態(tài)。

2.1 電路時域仿真

電路的時域仿真見圖3。由圖3可知，前置放大電路輸入峰值為1mV正弦波信號時，電路輸出約151mV的正弦波信號，可以得到前置放大電路的電壓增益為151。圖3中，V（C5：1）為電路輸出信號；V（V4：＋）為電路輸入信號。該仿真結(jié)果與式（10）所示理論計算結(jié)果一致。軟件設(shè)置為時域仿真，仿真時間為0～50μs，采樣間隔為0.1μs。

圖3 前置放大電路時域仿真

2.2 電路頻域仿真

對電路頻域進(jìn)行仿真，以求得電路頻域的各項參數(shù)，其中包括電路的線性響應(yīng)帶寬電路噪聲分析以及電路的溫度性能仿真。其中電路的線性響應(yīng)帶寬及電路的溫度性能仿真合二為一（見圖4）。軟件選取交流掃描狀態(tài)，選擇參數(shù)掃描欄，其溫度節(jié)點分別選擇27、125、155℃。

對電路的噪聲特性進(jìn)行仿真分析，在Pspice中噪聲特性的分析數(shù)據(jù)以文本形式存在，不利于分析觀察，故將分析結(jié)果繪制成圖表形式（見圖5）。從仿真結(jié)果可以得到，電路約在200kHz以內(nèi)，其總的輸出噪聲電壓基本保持不變，且小于nV級，滿足前置放大電路低噪聲設(shè)計的要求。

圖5 前置放大電路噪聲性能分析

3 前置放大電路的故障分析及解決措施

在理論分析和仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計前置放大電路印制板，當(dāng)電路上電后各電源電流大小見表2。

表2 電源電壓及接入電路后電源的電流值

由于前置放大電路采用雙極型晶體管，電路設(shè)計采用完全對稱式結(jié)構(gòu)，所以在上電結(jié)束后，應(yīng)對電路的某些對稱點進(jìn)行測試，以確定器件是否存在異常，避免因晶體管的非對稱性造成電路的輸出錯誤。在上述步驟無誤的情況下，測試電路的輸入輸出是否滿足151倍的電壓放大關(guān)系。

前置放大電路出現(xiàn)故障時的分析方法及解決措施：

（1）電源故障。如發(fā)生電流突變現(xiàn)象，應(yīng)立即斷電，檢查電路電源正端對地電阻。判斷電路是否在使用過程中由于高溫、形變等原因，導(dǎo)致電路或器件之間有短路現(xiàn)象出現(xiàn)；其次應(yīng)進(jìn)一步檢查電容，特別是帶有極性的電容是否焊反等。該故障易于消除。

（2）直流偏置偏執(zhí)問題。若輸出波形明顯有直流偏置，應(yīng)檢查電路中最后一級運放HA－2520供電電源是否正常；其次檢查該運放輸入短信號是否已經(jīng)存在偏置，若已有偏置，則電路向前推，進(jìn)行措施（3）中的對稱點測試，否則懷疑HA－2520已損壞，更換后消除故障。

（3）對稱點電壓問題。測試電路相應(yīng)的對稱點電壓，發(fā)現(xiàn)對稱點電壓值之間存在明顯的偏差，進(jìn)而檢查外圍的電阻、電容，發(fā)現(xiàn)無焊接錯誤，更換雙極型晶體管后排除故障。

4 電路溫度性能測試

圖6是在該前置放大電路應(yīng)用于儀器時，且儀器從常溫加溫至155℃時加溫3次得到的結(jié)果。圖6中的縱坐標(biāo)為儀器的3次加溫結(jié)果與理論值相減的差，橫坐標(biāo)為溫度，該坐標(biāo)溫度從0℃開始，是因為在制作圖版的過程中使用歸一化處理，方便后續(xù)儀器在溫度性能校正過程中的使用。該結(jié)果充分證明電路的其溫度性能穩(wěn)定，圖6中的擬合方程的系數(shù)極小，進(jìn)一步說明電路的線性度良好，完全滿足井下高溫惡劣環(huán)境的要求。

圖6 前置放大電路溫度性能測試

5 結(jié) 論

（1）陣列感應(yīng)測井儀前置放大器具有低噪聲、寬頻帶、高輸入阻抗和低輸出阻抗等特點，該設(shè)計有效降低了系統(tǒng)的輸入級噪聲，增加了系統(tǒng)的信噪比，提高了系統(tǒng)測量精度，擴(kuò)大了儀器的有效測量范圍。

（2）本文所設(shè)計的前置放大電路對其他測井儀器的研制也有參考意義和實用價值。

［1］ Moustaksa S，Hullett J L.Noise Modelling for Broadband Amplifier Design［J］.Electronic Circuits and System，1981，128（2）：67－76.

［2］ 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.4版.北京：高等教育出版社，2002.

［3］ National Semiconductor.LM194／LM193.pdf［Z］.http：∥www.21icsearch.com／s＿LM194.html？stype＝pdf＆t1＝＆keyword＝LM194，December 1994.

［4］ Jan Van der Spiegel.PSpice簡明教程.pdf［M／OL］.University of Pennsylvania Department of Electrical and Systems Engineering.http：∥wenku.baidu.com／view／3e35108884868762caaed549.html，2010，2.

A Pre－amplifier Circuit Design for Array Induction Logging Tool（MIT 5530）

DANG Feng，CHEN Tao，LI Mengchun，MA Xiao，JIANG Youhong，LIU Wei
（Technical Center，China Petroleum Logging CO.LTD.，Xi’an，Shaanxi 710077，China）

According to the weak signal detecting technology，low noise design principles for circuits and features of weak signal receiving and strong noise of multi－frequency array induction logging tool，emphasized are design key and difficult points of unit plus cushion model，first amplification model，second amplification model and temperature compensation model in the preamplifying circuit；Stimulated are characteristics of the circuit in time domain，frequency domain and noise；Tested is the circuit temperature characteristic in practice.The circuit’s key performance specification has been achieved.Analyzed are failures of the circuit and proposed are their solutions.Verified are the feasibility and practical applicability of this pre－amplifier.

array induction log tool，weak signal，pre－amplifier circuit，performance，simulation

P631.83

A

2011－12－19 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）03－0290－04

黨峰，男，1981年生，碩士，從事三維感應(yīng)測井儀器研發(fā)工作。