一種多側(cè)向測(cè)井儀器的主監(jiān)督電路設(shè)計(jì)

張全文（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊 065201）

一種多側(cè)向測(cè)井儀器的主監(jiān)督電路設(shè)計(jì)

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本文論述一種微弱信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，分析了該電路的高共模抑制比電路設(shè)計(jì)、功率放大電路設(shè)計(jì)、積分比例電路設(shè)計(jì)、高電源抑制比電路設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，該主監(jiān)督電路可以在多側(cè)向石油測(cè)井儀器中穩(wěn)定可靠地工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(cè)向測(cè)井儀是基于側(cè)向聚焦的基本原理，但增加了屏蔽電極和監(jiān)督電極的數(shù)量，儀器的復(fù)雜程度大為增加?？梢来螛?gòu)成徑向上由淺入深的多種不同探測(cè)深度的地層電阻率測(cè)量，詳細(xì)描述地層侵入剖面，同時(shí)具有較好的薄層分辨能力。由于該儀器能夠測(cè)得多條測(cè)井曲線的數(shù)據(jù)，這就使得多參數(shù)反演成為可能，為測(cè)井解釋提供豐富的資料。而多側(cè)向測(cè)井儀的主監(jiān)督電路是其核心電路之一，需要完成極其微弱信號(hào)的檢測(cè)，因此有必要對(duì)該電路進(jìn)行詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)。

1 電路總體設(shè)計(jì)

首先，使用兩路儀表放大電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行差分放大，再用求和平均電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行平均計(jì)算，可以有效對(duì)共模信號(hào)和噪聲進(jìn)行濾除；然后再用放大濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?；最后采用AB類(lèi)功率放大電路對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行功率放大并輸出。同時(shí)由于AB類(lèi)功率放大電路在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生直流偏移，采用積分比例電路將該直流信號(hào)反饋到放大濾波電路的反相輸入端，使得輸出信號(hào)始終處于直流零電位，防止信號(hào)容易失真。電路中還對(duì)電源噪聲進(jìn)行濾波，減小電源紋波對(duì)輸出信號(hào)的影響。

2 高共模抑制比電路設(shè)計(jì)

共模抑制比（CMRR）是衡量差分放大電路放大差模信號(hào)及抑制共模信號(hào)能力的技術(shù)指標(biāo)，其定義為放大電路對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Aud與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Auc之比[1]。影響共模抑制比的因素主要有：（1）提高差模信號(hào)在傳輸過(guò)程中的對(duì)稱(chēng)性，以減小信號(hào)在傳輸過(guò)程中將共模信號(hào)轉(zhuǎn)化為差模信號(hào)的機(jī)會(huì)；（2）提高差分放大電路的對(duì)稱(chēng)性，如果電路不具有對(duì)稱(chēng)性，差分放大電路就會(huì)把共模信號(hào)當(dāng)成差模信號(hào)進(jìn)行放大，從而影響信號(hào)的檢測(cè)；（3）確保差模信號(hào)處于電路的線性工作范圍，因?yàn)楫?dāng)差模信號(hào)超出了電路線性范圍時(shí)，即使正常信號(hào)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(duì)上述五個(gè)因素。

本文設(shè)計(jì)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(jù)電路需求設(shè)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(kāi)關(guān)電路和緩沖驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)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(hào)，測(cè)量U3A的輸出信號(hào)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(hào)，測(cè)量U3A的輸出信號(hào)峰值為2mV，就可以得到本電路的共模抑制比為104dB?？梢?jiàn)，本文設(shè)計(jì)的電路具有很高的共模抑制比。

3 AB類(lèi)功率放大電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的AB類(lèi)功率放大器具有輸出電流大，功耗低、諧波失真度小的特點(diǎn)。同時(shí)相對(duì)于其他AB類(lèi)功率放大電路，設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用大容量的電容，減少了非線性誤差。首先，A類(lèi)功率放大器的特點(diǎn)是使得放大器的輸出信號(hào)能在最大范圍內(nèi)擺動(dòng)，這樣就能獲得最大的輸出信號(hào)。其次，推挽B類(lèi)功率放大器可以使得集電極電流Ic在一個(gè)非常大的范圍內(nèi)（0～I(xiàn)c (sat)）擺動(dòng)，使之有非?！皬?qiáng)健”的驅(qū)動(dòng)能力，但是容易出現(xiàn)交越失真。AB類(lèi)放大器結(jié)合了A類(lèi)放大器的特點(diǎn)，在繼承推挽B類(lèi)放大器優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又改善了失真[2]。設(shè)計(jì)中運(yùn)算放大器的內(nèi)部輸出級(jí)產(chǎn)生交替變化的電流脈沖會(huì)通過(guò)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(wěn)定Q1、Q2的靜態(tài)工作點(diǎn)；二極管D1～D4用于限制三極管Q1、Q2發(fā)射節(jié)的最大電壓，從而限制輸出電流。

4 高電源抑制比電路設(shè)計(jì)

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

5 結(jié)語(yǔ)

本文論述的多側(cè)向測(cè)井儀主監(jiān)督電路，具有很高的共模抑制比和電源抑制比、強(qiáng)勁的功率輸出和較低的直流輸出。實(shí)踐證明，該電路可以穩(wěn)定可靠的工作，通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)驗(yàn)。如圖1所示，測(cè)量曲線在泥巖層段進(jìn)行了很好的重合，在砂巖層段進(jìn)行了有序分開(kāi)，滿足實(shí)際作業(yè)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(tǒng)[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào).Vol.34 No.6 Dec.2015.

[2]楊欣，胡文錦等著.實(shí)例解讀模擬電子技術(shù)完全學(xué)習(xí)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]王磊，王剛.一種高電源抑制比的LDO電路設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào).Vol.35 No.2 Jun.2012.

張全文，（1982-）工程師，2009年畢業(yè)于電子科技大學(xué)(成都)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)在中海油服油技研究院工作。