一種多側向測井儀器的主監督電路設計

張全文（中海油田服務股份有限公司，河北 燕郊 065201）

一種多側向測井儀器的主監督電路設計

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本文論述一種微弱信號檢測電路的設計，分析了該電路的高共模抑制比電路設計、功率放大電路設計、積分比例電路設計、高電源抑制比電路設計。實踐表明，該主監督電路可以在多側向石油測井儀器中穩定可靠地工作，達到了設計要求。

共模抑制比；功率放大電路；積分比例電路；電源抑制比

多側向測井儀是基于側向聚焦的基本原理，但增加了屏蔽電極和監督電極的數量，儀器的復雜程度大為增加。可依次構成徑向上由淺入深的多種不同探測深度的地層電阻率測量，詳細描述地層侵入剖面，同時具有較好的薄層分辨能力。由于該儀器能夠測得多條測井曲線的數據，這就使得多參數反演成為可能，為測井解釋提供豐富的資料。而多側向測井儀的主監督電路是其核心電路之一，需要完成極其微弱信號的檢測，因此有必要對該電路進行詳細的分析設計。

1 電路總體設計

首先，使用兩路儀表放大電路對輸入信號進行差分放大，再用求和平均電路對信號進行平均計算，可以有效對共模信號和噪聲進行濾除；然后再用放大濾波電路對信號進行適當的放大；最后采用AB類功率放大電路對放大后的信號進行功率放大并輸出。同時由于AB類功率放大電路在高溫環境下容易產生直流偏移，采用積分比例電路將該直流信號反饋到放大濾波電路的反相輸入端，使得輸出信號始終處于直流零電位，防止信號容易失真。電路中還對電源噪聲進行濾波，減小電源紋波對輸出信號的影響。

2 高共模抑制比電路設計

共模抑制比（CMRR）是衡量差分放大電路放大差模信號及抑制共模信號能力的技術指標，其定義為放大電路對差模信號的電壓放大倍數Aud與對共模信號的電壓放大倍數Auc之比[1]。影響共模抑制比的因素主要有：（1）提高差模信號在傳輸過程中的對稱性，以減小信號在傳輸過程中將共模信號轉化為差模信號的機會；（2）提高差分放大電路的對稱性，如果電路不具有對稱性，差分放大電路就會把共模信號當成差模信號進行放大，從而影響信號的檢測；（3）確保差模信號處于電路的線性工作范圍，因為當差模信號超出了電路線性范圍時，即使正常信號也不能被正常放大，更談不上共模抑制能力。(4)利用平均值電路減小共模噪聲。(5)選擇合適的器件。針對上述五個因素。

本文設計中的儀表放大電路主要采用低噪聲的儀表放大器AD8429。其中，電阻R1、R2可根據電路需求設置前端放大電路的增益；R3～R6為限流電阻，防止靜電干擾；R7～R10為儀表放大器的輸入偏置電流提供直流返回路徑。另外，R11、R12、開關電路和緩沖驅動電路構成平均值電路，以減小共模噪聲。將輸入端M1、M2接入峰值為0.2mV的共模信號，測量U3A的輸出信號峰值為12nV；然后將輸入端M1、M2接入峰值為

0.2 mV的差模信號，測量U3A的輸出信號峰值為2mV，就可以得到本電路的共模抑制比為104dB。可見，本文設計的電路具有很高的共模抑制比。

3 AB類功率放大電路設計

本設計中采用的AB類功率放大器具有輸出電流大，功耗低、諧波失真度小的特點。同時相對于其他AB類功率放大電路，設計中沒有使用大容量的電容，減少了非線性誤差。首先，A類功率放大器的特點是使得放大器的輸出信號能在最大范圍內擺動，這樣就能獲得最大的輸出信號。其次，推挽B類功率放大器可以使得集電極電流Ic在一個非常大的范圍內（0～Ic (sat)）擺動，使之有非常“強健”的驅動能力，但是容易出現交越失真。AB類放大器結合了A類放大器的特點，在繼承推挽B類放大器優勢的同時又改善了失真[2]。設計中運算放大器的內部輸出級產生交替變化的電流脈沖會通過R1、R2分別激活Q1、Q2的放大工作；R3、R4分別用于限制Q1、Q2的基極電流；R5、R6分別用于穩定Q1、Q2的靜態工作點；二極管D1～D4用于限制三極管Q1、Q2發射節的最大電壓，從而限制輸出電流。

4 高電源抑制比電路設計

電源抑制比（PSRR）是一個描述輸出信號受電源影響的量，是衡量電路抑制電源噪聲的能力，其計算公式為PSRR= 20log(Ripple(in)/Ripple(out))，由該式可以看出，PSRR越大，輸出信號受到電源的影響越小[3]。將電路的輸入端接地，在一個儀表放大器的正電源處疊加了頻率為105Hz,幅度為10mV的紋波，通過PSPICE電路仿真軟件在放大濾波電路輸出測量到該信號的幅度為152.45nV；而將該儀表放大器的正、負電源處疊加了頻率為105Hz,幅度為10mV的紋波，在放大濾波電路輸出測量到該信號的幅度為271.35nV；將該儀表放大器的正、負電源處的紋波信號改為頻率為105Hz，幅度為1mV的紋波，在輸出上能產生峰值為27.145nV的信號。由此可見，降低電源的紋波幅度，對微弱信號的檢測是非常重要的。本文采用高電源抑制比的LDO電源芯片對主監督電路進行供電。

5 結語

本文論述的多側向測井儀主監督電路，具有很高的共模抑制比和電源抑制比、強勁的功率輸出和較低的直流輸出。實踐證明，該電路可以穩定可靠的工作，通過了現場作業的實驗。如圖1所示，測量曲線在泥巖層段進行了很好的重合，在砂巖層段進行了有序分開，滿足實際作業的要求。

[1]郜東瑞，李鵬霄.高共模抑制比全頻段腦電采集系統[J].中國生物醫學工程學報.Vol.34 No.6 Dec.2015.

[2]楊欣，胡文錦等著.實例解讀模擬電子技術完全學習與應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

[3]王磊，王剛.一種高電源抑制比的LDO電路設計[J].長春理工大學學報.Vol.35 No.2 Jun.2012.

張全文，（1982-）工程師，2009年畢業于電子科技大學(成都)測試計量技術及儀器專業獲得碩士學位，現在中海油服油技研究院工作。