高阻運放在礦用鉆孔伽馬測井儀信號調理電路中的應用

田小超

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

自然伽馬測井曲線是油氣勘探開發過程中的一條必測曲線，也是最基本、最重要的曲線之一，其在煤礦井下近水平鉆孔巖性劃分方面也有著十分重要的意義，近幾年隨著生產生活的實際需求，也逐漸開被廣泛應用[1-3]。地層巖石中含有天然放射性核素，這些核素在自然衰變時會主動發射出伽馬射線。當礦用鉆孔伽馬測井儀接收到這些射線時，會將這些射線轉換成電脈沖，而電脈沖的數量與當前位置的伽馬射線強度是成正比的。通過計算單位時間內的脈沖數量，可以獲得被測孔段巖層的巖性差異[4-6]。礦用鉆孔伽馬測井儀中伽馬射線探測器輸出的反映地層放射性強度信息的脈沖信號經各方研究認為極其微弱[7-9]，因此要先對該信號進行拾取與放大后才能由后續處理電路進行調理及統計計數，但是因電路中元器件熱噪聲、PMT 自身暗電流等引起的噪聲信號往往會淹沒有效信號，所以在對微弱信號進行處理時要盡可能消除噪聲對有效信號的干擾，提高信噪比[10-12]。

文中介紹了基于高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲的CA3140A 型高集成度運算放大器設計的礦用鉆孔伽馬測井儀信號調理電路，并在實驗室條件下對設計電路進行了實測驗證，驗證結果表明，電路設計性能符合預期的設計要求。

1 CA3140A性能參數

在進行礦用鉆孔伽馬測井儀信號調理電路設計時，核心運算放大器選用了美國無線電公司開發的一款高輸入阻抗、超低輸出阻抗的產品CA3140A，其內部方框圖如圖1 所示。該芯片是一款在片內集成了高壓P-MOS和Bipolar 等工藝優點的低噪聲、單路集成運算放大器，其具有4～36 V 寬范圍的工作電源電壓，高達1.5 TΩ的輸入阻抗，低至幾十歐姆的輸出阻抗，最大的開環性增益可達M 級，正常工作電壓范圍為-15～+15 V時，輸入偏置電流約為0.5 pA，在偏置電壓為5 mV的條件下，最大功耗不到200 mW[13]。

圖1 CA3140A內部方框圖

2 電路組成

礦用鉆孔伽馬測井儀信號調理電路主要由信號拾取與放大電路、信號鑒別電路、脈沖整形電路三大部分組成，其電路結構框圖如圖2 所示。

圖2 信號調理電路結構框圖

礦用鉆孔伽馬測井儀中伽馬射線探測器是其重要的組成部件。伽馬射線探測器由摻雜鉈元素的碘化鈉晶體及光電轉化器件——光電倍增管（PMT）組成，其主要功能是將由地層巖石中輻射出的自然伽馬射線物理信號變換成電信號，但因其輸出的電信號為微弱的負極性電流信號，因此需經過信號調理電路進行必要的轉換與調理。信號調理電路就是將攜帶地層放射性強度的非標準電信號調理成標準的脈沖信號的專用電路，其中，信號拾取與放大電路用于對伽馬射線探測器輸出的微弱電流信號進行電流-電壓轉換及合理放大；而其輸出信號再經由信號鑒別電路進行去噪；脈沖整形電路用于對噪聲剔除后的非標準脈沖信號進行標準化處理。

3 電路設計與測試

礦用鉆孔伽馬測井儀中伽馬射線探測器輸出的地層伽馬射線強度信息是微弱的負極性電流信號，該信號中常混雜著各種各樣的噪聲，而只有純凈的、達到一定幅度的正向信號才能被微控制器所接收并做統計計數，因此，需設計信號調理電路將該非標信號進行標準化處理。

3.1 信號拾取與放大電路

PMT 陽極電路輸出的信號特征為幅度小、負極性、電流信號。因此，在設計信號拾取與放大電路時，所選用的運算放大器應具有高開環增益、高輸入阻抗的特性，同時其輸出阻抗應盡可能小，以盡可能減小因在輸出阻抗上產生的壓降對輸出電壓產生的影響。在內阻較小時，運算放大器可以近似看作一個電壓源，如此情況下輸出電壓則不會跟隨后級負載所變化。另外，低噪聲、低輸入偏置的特性要求也是選擇運算放大器所應考慮的。

信號拾取與放大電路的實際功能是將伽馬射線探測器所輸出的弱小的、負極性的電流信號變換為電壓信號，并進行合理的放大，再由后續調理電路作進一步處理。在設計該電路時，選用了美國無線電公司設計研發的CA3140A 型運算放大器。

信號拾取與放大電路共由兩級CA3140A 型運算放大器構成，第1 級運算放大器主要實現對伽馬射線探測器輸出的微弱電流信號進行拾取，且將其轉換為正極性電壓信號；再由第2 級運算放大器實現該電壓信號的同相放大，信號拾取與放大電路原理圖如圖3 所示。

圖3 信號拾取與放大電路原理圖

伽馬射線探測器的輸出信號IA經隔直耦合電容C后，輸入到起信號拾取作用的第1 級運算放大器的反相輸入端，反饋電阻RF跨接于運算放大器反相輸入端、輸出端兩端，而運算放大器的同相輸入端則接地電位。基于以上設計原理，該運算放大器的輸出電壓和反饋電阻RF兩端產生的電壓相同，其計算方法如式（1）所示：

式中，VO1是輸出電壓，單位為V；IA是伽馬射線探測器的輸出電流，單位為A；RF為反饋電阻，單位為Ω。

伽馬射線探測器中的PMT 正常工作需要由外圍電路為各倍增極之間提供合適的直流偏置分壓，但為了減小分壓偏置電路引入的額外噪聲，設計中采用了正高壓接法的高壓偏置電路，即陽極接高壓電源正極、陰極接地電位。同時，為了使高壓偏置電路的高壓不至影響信號調理電路，在電路中，選用耐壓值不低于1 500 V、漏電流小、頻率特性好的瓷介質電容對前后級電路進行隔離。

為解決因輸入電路存在輸入電容及負載端存在耦合電容、旁路電容導致的信號相位滯后和振蕩問題，在電路設計中，反饋電阻RF兩端需并聯反饋電容CF實現相位補償，達到消除振蕩的效果；不僅如此，反饋電容CF在電路中還可以起到抑制噪聲的作用。

3.2 信號鑒別電路

伽馬射線探測器輸出的負極性脈沖信號中除了包含反映地層放射性強度的信息外還會包含因PMT自身暗電流、外界宇宙射線、電路元器件熱噪聲等引起的噪聲脈沖信號，如圖4 所示，這些噪聲信號會對礦用鉆孔伽馬測井儀的脈沖計數精度造成一定程度的影響，因此，設計了由比較器構成的鑒別電路，如圖5所示，以剔除噪聲脈沖信號，保留有效脈沖信號。

圖4 伽馬射線探測器輸出信號及分類

圖5 信號鑒別電路原理圖

圖5 電路中，VO2是信號拾取與放大電路的輸出信號，將作為信號鑒別的輸入信號。Vref是信號調理電路中鑒別電路的門限電壓，其取值受限于伽馬射線探測器中PMT 器件的暗電流脈沖，以及信號調理電路熱噪聲脈沖中的極大值，但因儀器的使用環境為煤礦井下，且儀器有兩層起防護和固定作用的金屬外殼，因此，宇宙射線脈沖可以不予考慮。鑒別電路的門限電壓Vref設置方法之一是用示波器在信號調理電路輸出VO2端觀察低端噪聲的幅度水平，門限電壓Vref一般設置的略高于該值即可。當輸入的脈沖信號為零，鑒別電路中比較器部分的同相輸入端輸入電壓比門限電壓Vref低時，電路輸出為低電平；當輸入的脈沖信號為有效信號，比較器部分的同相輸入端輸入電壓比門限電壓Vref高時，電路輸出為高電平。經過鑒別電路甄選后，攜帶地層放射性強度信息的有效脈沖信號就輸入到脈沖整形電路的輸入端。

3.3 脈沖整形電路

經過脈沖鑒別電路篩選后攜帶地層放射性強度信息的有效脈沖信號基本已是方波信號，微控制器可以實現脈沖計數，但為了計數精度更高、抗干擾能力更強，設計了脈沖整形電路。自然伽馬測井是對不同巖性地層、不同放射性強度所反映的脈沖數的一個統計，因此，為了降低電路功耗、簡化電路設計、提高可靠性，采用二非門電路實現脈沖整形電路。微控制器的脈沖輸入IO 口可兼容5 V 輸入，因此，脈沖整形電路供電電源同鑒別電路也采用5 V 供電。

3.4 電路效果測試

信號調理電路的測試在實驗室環境條件下進行，以伽馬射線探測器輸出信號作為信號調理電路的輸入信號，用專用直流高壓電源模塊為PMT 各倍增極提供所需的百伏級直流偏置電壓。根據該次測試所用的PMT和信號調理電路聯合實測的坪特性曲線及坪區范圍情況[14-16]，直流偏置高壓選850 V。以示波器觀察伽馬射線探測器的輸出信號幅值大小情況，調整反饋電阻RF的阻值，使信號拾取與放大電路第1 級運算放大器的輸出波形無畸變；觀測信號拾取與放大電路第2 級運算放大器的輸出脈沖信號幅度，并使有效信號可以通過比較器構成的鑒別電路，而噪聲脈沖信號不能通過，信號波形如圖6 所示。如有不合適，可調節電阻R3的阻值直至到達預期要求，經信號調理電路變換后的標準脈沖信號如圖7所示。

圖6 信號拾取與放大電路輸出信號波形

圖7 信號調理電路輸出信號波形

4 結論

結合礦用鉆孔伽馬測井儀信號調理電路設計理論、硬件電路實現與測試驗證，基于高阻運放CA3140A 設計的信號調理電路結論如下：

1）以CA3140A 運算放大器設計的礦用鉆孔伽馬測井儀信號調理電路，在實驗室自然放射性條件下的實際測試結果表明，電路設計性能穩定，能有效對伽馬射線探測器輸出的非標準信號進行拾取與處理，并得到標準的脈沖信號；

2）設計的礦用鉆孔伽馬測井儀信號調理電路原理簡單、性能可靠、體積小、功耗低，滿足煤礦井下小孔徑、電池供電的孔中伽馬測井儀的應用需求；

3）礦用鉆孔伽馬測井儀信號調理電路的實現方式有很多種，該文介紹的基于CA3140A 運算放大器設計的信號調理電路只是其中一種，電路本身性能仍需在實際應用中進一步檢驗，電路的優化設計也需在實踐中進一步優化、提高。