一種用于雙感應(yīng)測井儀的前置放大濾波電路設(shè)計

王 鵬 王敏娟 劉 丹

（西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，西安 710065）

1 引言

感應(yīng)測井（Induction Logging）是利用電磁感應(yīng)原理研究巖層導電性的一種測井方法。它可以在井眼不導電的情況下（如油基泥漿井，空氣井）測量地層電導率，這種方法對于低電阻率地層反應(yīng)靈敏，適合區(qū)分低阻油、水層和油水過渡層[1]。

在感應(yīng)測井儀器中，接收線圈接收到的感應(yīng)信號是由地層的渦流產(chǎn)生的，地層電導率越小，接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也就越小，因此接收線圈所接受到的感應(yīng)信號非常小。感應(yīng)測井儀適應(yīng)于電導率范圍為0.0005—5S/m的地層，因而中感應(yīng)接收線圈接收到的電壓信號范圍為1. 2 0×10-6～3.816.2×01×01-40-6，深感應(yīng)的為3.4. 61 310-4-～3. 4 610-4[2]。為了更好的利用這些信號，必須對其進行調(diào)理。文章根據(jù)感應(yīng)測井信號的特點設(shè)計了用于雙感應(yīng)測井的前置放大濾波電路。

2 電路基本結(jié)構(gòu)

針對上述測井信號的特點，設(shè)計的前置放大電路必須具有高輸入阻抗、良好的頻率特性、低噪聲、電路工作點穩(wěn)定等特點。因此，采取了以下措施來實現(xiàn)低噪聲前置放大電路設(shè)計：第一，在電子電路中，元器件的內(nèi)部噪聲會對電路造成很大的影響，在電路設(shè)計時，盡可能選用低噪聲的元器件，用場效應(yīng)管代替三極管，場效應(yīng)管具有輸入阻抗高，動態(tài)范圍大，噪聲系數(shù)小且與工作電流基本無關(guān)的特點，選用低噪聲集成運算放大器，電路中選用高精度的金屬膜電阻來減小電阻的1/f噪聲；第二，采用高穩(wěn)定和低噪聲的渥爾曼電路作為前置放大電路的輸入級，在使電路具有很高的輸入阻抗的同時又具有良好的頻率特性【3】；第三，采用儀用放大電路對信號進行放大濾波處理。電路總體框圖如圖1所示：

圖1 前置放大濾波電路總體框圖

3 電路設(shè)計及仿真

3.1 輸入級電路設(shè)計

為了得到放大電路中很好的頻率特性，應(yīng)該使用共基極放大電路，但是頻率特性好就意味著放大電路的輸入阻抗變低，本文采用差分輸入的渥爾曼電路作為放大電路的輸入級，剛好克服了這一缺點，不僅使系統(tǒng)擁有了較好的頻率特性，而且提高了輸入阻抗。圖2所示為渥爾曼電路原理圖，圖中C1、C2、C3為TR1的等效極間電容，由于TR1是一個電壓增益為零的共發(fā)射極放大電路，即AV=0，

圖2 渥爾曼電路

Ci僅為C1和C2之和，并沒有發(fā)生共射級電路避免不了的密勒效應(yīng)。因此，采用渥爾曼電路并沒有使電路的頻率特性變壞。本設(shè)計中TR1采用輸入阻抗高、噪聲系數(shù)小的場效應(yīng)管2N5434，當DI =10mA，頻率為1kHz時，2N5434的等效輸入噪聲電壓典型值為nV當頻率為20kHz，ID=10mA時，其輸入熱噪聲電1而對渥爾曼電路的頻率特性起決定型作用的是TR2，因此選用小信號放大三極管2N930A，其噪聲系數(shù)典型值為3.0dB，截止頻率Tf為45MHz。

3.2 放大濾波電路設(shè)計

信號的放大由運算放大器和分立元件組成的儀用放大電路來實現(xiàn)，分兩級放大，同時在每一級放大都進行帶通濾波，濾波放大電路原理圖如圖4所示。

圖3 濾波放大電路原理圖

運算放大器選用高性能、低噪聲的四運放集成運放芯片HA-5104，其輸入噪聲電壓密度典型值為4.3，單位增益帶寬為8MHz，可以提供3V/μs的轉(zhuǎn)換速率，輸入失調(diào)電壓為0.5mV，輸入失調(diào)電流和輸入偏置電流分別為75nA和130nA，共模抑制比為95dB[4]，運算放大電路采用直流±15V供電。需要說明的是，對此電路中的集成運算放大器進行選擇時還需考慮到最大差模輸入電壓、全功率帶寬等參數(shù)。HA-5104的最大差模輸入電壓為±7V，滿足我們的信號輸入要求[4]；全功率帶寬即是運算放大器輸出信號幅值達到最大而其波形不失真的最大頻率[5]，HA-5104的全功率帶寬為47kHz，感應(yīng)測井的信號為20kHz，完全滿足要求。

由于感應(yīng)測井頻率為20kHz，為了消除高、低頻噪聲，需要設(shè)計一個帶通濾波器。通頻帶寬定為12kHz～32kHz，放大倍數(shù)為20000。由于對濾波器沒有特殊要求，故采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波波器構(gòu)成帶通濾波器。對于一個m級放大電路，設(shè)組成它的各級放大電路的限頻率為 fL1、fL2…fLm，，上限頻率為 fH1、fH2…fHm，可由（1）式估計出濾波器的截止頻率[6]：

在圖4中，電容C1和電阻R1組成高通濾波電路，反饋網(wǎng)絡(luò)中的C3和R4組成低通濾波電路。負反饋網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定電路工作點的同時決定著信號的放大倍數(shù)，在輸入級的渥爾曼電路中信號放大倍數(shù)為1，所以整個電路的放大倍數(shù)可用公式（2）進行計算，

3.3 電路仿真結(jié)果

圖6為前置放大電路的Multisim仿真波形，其中示波器的C、D兩道是輸入的差分信號波形，A、B兩道為信號經(jīng)放大電路的輸出波形，從圖中可以看當輸入信號為1.14μV時，輸出的電壓值為25.7mV，電路的放大倍數(shù)為22530倍，達到了設(shè)計要求。

圖4 前置放大濾波電路輸入輸出仿真波形

圖5為前置放大濾波電路的幅頻和相頻相應(yīng)特性曲線的Multisim仿真結(jié)果，從圖中可以看出其中心頻率為20.3kHz，即為感應(yīng)測井信號的頻率，在此頻率下，整個電路為信號的放大和相位保持達到最佳性能。

圖5 前置放大電路幅頻和相頻相應(yīng)特性曲線圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于雙感應(yīng)測井儀的前置放大濾波電路，利用渥爾曼電路作為放大電路的輸入級，不僅使電路保持了良好的頻率特性，而且保證了電路具有較高的輸入阻抗。經(jīng)Multisim進行仿真分析后，證實了電路具有較高的精確度和穩(wěn)定性，相關(guān)的技術(shù)指標達到了設(shè)計要求，為信號的后續(xù)處理提供了保障。

[1] 張建華，劉振華，仵杰.電法測井原理與應(yīng)用[M].西安：西北大學出版社，2002.11.

[2] 胡啟，仵杰.感應(yīng)測井理論[M].西安：陜西人民教育出版社，1990.6～25.

[3] （日）鈴木雅臣著，周南生譯.晶體管電路設(shè)計（上）[M].科學出版社，2006，62～64.

[4] Intersil.HA-5104 Low Noise Operational Amplifier Data Sheet.July 1999.

[5] （日）岡村廸夫著，王玲譯.OP放大電路設(shè)計[M].科學出版社，2006，214～230.

[6] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001：136～138，390～424.

[7] 龐巨豐.測井原理及儀器 [M].北京：科學出版社，2008.40～51.

[8] 張庚驥.電法測井（下冊）[M].石油工業(yè)出版社.