MIT5530阵列感应测井仪前置放大电路设计

党峰，陈涛，李梦春，马骁，江友宏，刘伟

（中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西西安710077）

MIT5530阵列感应测井仪前置放大电路设计

党峰，陈涛，李梦春，马骁，江友宏，刘伟

（中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西西安710077）

根据微弱信号检测技术和电路低噪声设计基本原理，结合阵列感应仪器本身的接收信号强度微弱、干扰严重等特性，分析阵列感应测井仪器前置放大电路的低噪声单位增益缓冲级模块、第1级放大模块、第2级放大模块及温度补偿模块的设计重点和难点；对电路进行时域、频域和噪声特性仿真；对其温度性能进行实际测试，得出其主要的性能指标。分析前置放大电路容易出现的故障并提出解决措施。验证该前置放大器的可行性和实用性。

阵列感应测井仪器；微弱信号；前置放大电路；性能；仿真

0 引 言

高精度、高分辨率多频阵列感应成像测井仪器MIT5530与常规感应测井仪器相比，能提供5种径向探测深度的合成电阻率曲线，径向电阻率剖面成像，所提供的井下信息很好地克服了井眼、侵入、围岩等环境影响和趋肤效应的影响，拓宽感应测井的应用范围，可以进行复杂的地层侵入解释和薄层分析，对准确评价油气储藏有重要的作用。

在实际的测井作业中，工作环境恶劣、地层结构复杂，仪器受外界噪声干扰十分严重，尤其是当仪器在高电阻率地层测量时，二次感应信号变得十分微弱，致使测量精度明显下降，甚至根本无法得到有用的地层信息，给测井解释带来很大的困难。对于微弱信号检测，关键措施之一就是尽量减少测量过程中引入的观测噪声，而前置放大器是引入噪声的主要部件之一［1］。本文所设计的前置放大电路具有低噪声、宽频带、高输入阻抗和低输出阻抗等特点。

1 前置放大电路的理论分析与设计

本文设计的前置放大电路采用分立元器件与集成电路相结合的方法，其目的在于更有效抑制前置放大电路的内部噪声，以差分电路结构为主体，优选电路芯片以及合理的电路设计抑制共模干扰噪声，提高前置放大电路对微弱信号的放大能力。设计原理见图1。

1.1 低噪声单位增益缓冲级

低噪声单位增益缓冲级（双晶体管Q1）是典型的共集电极电路［2］，偏置电流由温度补偿恒流源提供，集电极的偏置电压由稳压管1N935B提供。为了实现输入阻抗高、输出阻抗低的设计目标，选择了β值较高的双极型晶体管。

图1 阵列感应测井仪前置放大电路设计原理图

LM194的电流放大倍数β见表1。由表1可知，LM194的电流放大倍数随着集电极电流的变化而变化，为了能够使LM194获得最大的电流放大倍数β，应使恒流源提供的电流为1mA。由表1可知，这时LM194的电流放大倍数β为700。通过共集电极电路输入阻抗的计算公式［2］可求得该前置放大电路的输入阻抗约为200kΩ。

表1 LM194电流放大倍数［3］

1.2 第1级放大

经单位增益缓冲电路后，信号进入前置放大电路的第1级低噪声放大级，该级由Q2、Q3组成，其中Q2构成了共射极放大电路，Q3组成共基极放大电路，两者级联构成低噪声放大模块。低噪声放大模块的信号输入口为Q3的基极，这样可求得Q3的射极电流

式中，IQ3E为晶体管Q3的射极电流；re是晶体管Q3的基极与发射极的动态电阻；Rs如图1所示。re可通过式（2）［2］求得

式中，VT为26mV；IQ3DCE为晶体管Q3静态点时的发射极电流［2］。Q3的发射极电流是由恒流源LM3045提供的，为了获得低噪声的特性，设计Q3的发射极电流为1mA，当LM194的集电极电流为1mA时，晶体管的噪声特性是最好的［3］（见图2）。图2中，横坐标为信号的频率，纵轴为输入噪声，在尽量满足低噪声的情况下，选择IC＝1mA最为合适，此时可求得式（2）中re＝25Ω。由于恒流源LM3045的内阻非常大，所以，这里认为所有的电流都将流经Rs，且对于对管Q3而言，左右两部分的电流是相等的。又Q3的发射极电流约等于共基极的Q2的集电极电流，所以对于第1级放大部分的输出电压可以表示为

式中，VU03和VU02分别为运算放大器HA－2520的正端输入与负端输入的电压值，R17和R18如图1所示。

图2 输入噪声与频率关系图

求得第1级放大的电压增益为联合式（3）和式（1）可以求得第1级的电压增益约为29.9。

1.3 第2级放大模块

运算放大器U0是构成前置放大电路的第2级放大电路的主要器件，该部分的差分信号由第1级放大电路提供，第2级放大电路的反馈网络具有稳定电路工作点，消除共模噪声的性能，反馈网络包括双晶体管Q4，以及R20、R21、R15、R16、R23、R11和2支22pF的电容。Q4的意义在于能够有效消除反馈网络中的共模干扰噪声。反馈网络中的电流完全进入到第1级放大模块，设U0的输出电压为Vout，所以加到Q4的基极电压VQ4B为

又因为Q4的发射极阻抗RQ4E为

所以Q4的发射极电流也即Q4的集电极电流为

维生素D的前体（生成维生素D的原料）存在于我们的皮肤中，当阳光照射皮肤时会发生反应转化为维生素D3，最后在体内会转化为维生素D最有效的状态。然后维生素D将和甲状旁腺激素以及降血钙素协同作用来平衡血液中钙离子和磷的含量，特别是增强人体对钙离子的吸收能力。

因为基极电流很小，所以在对电路进行分析时，集电极电流约等于发射极电流。反馈网络的电流全部进入Rs与Q3的发射极，所以可以求得Q2的集电极输出电流为

联合式（1）、式（5）、式（6）、式（7）和式（8）可以求得

由图1，将式（9）中的值分别代入，求得

1.4 温度补偿

温度补偿网络是由随温度变化的电流源组成，包括晶体管LM3045、LM113（1.21V），电阻R24、R23、R22、R17、R8以及电容。由于前置放大电路的增益在某种程度上受到Q3、Q4基－射极间的动态电阻影响，又re与发射极的偏置电流成反比，与绝对温度成正比。偏置电流随绝对温度上升，从而很大程度上抑制了re的温度变化，这种技术不仅稳定电路的增益，而且降低了输入噪声受温度的影响。电阻R24向LM113提供偏置电压1.21V。

2 前置放大电路的模拟仿真与分析

采用计算机模拟仿真软件Pspice进行模拟仿真。从前置放大电路的静态工作点仿真结果看，电路中的每只晶体管均处于放大状态。

2.1 电路时域仿真

电路的时域仿真见图3。由图3可知，前置放大电路输入峰值为1mV正弦波信号时，电路输出约151mV的正弦波信号，可以得到前置放大电路的电压增益为151。图3中，V（C5：1）为电路输出信号；V（V4：＋）为电路输入信号。该仿真结果与式（10）所示理论计算结果一致。软件设置为时域仿真，仿真时间为0～50μs，采样间隔为0.1μs。

图3 前置放大电路时域仿真

2.2 电路频域仿真

对电路频域进行仿真，以求得电路频域的各项参数，其中包括电路的线性响应带宽电路噪声分析以及电路的温度性能仿真。其中电路的线性响应带宽及电路的温度性能仿真合二为一（见图4）。软件选取交流扫描状态，选择参数扫描栏，其温度节点分别选择27、125、155℃。

对电路的噪声特性进行仿真分析，在Pspice中噪声特性的分析数据以文本形式存在，不利于分析观察，故将分析结果绘制成图表形式（见图5）。从仿真结果可以得到，电路约在200kHz以内，其总的输出噪声电压基本保持不变，且小于nV级，满足前置放大电路低噪声设计的要求。

图5 前置放大电路噪声性能分析

3 前置放大电路的故障分析及解决措施

在理论分析和仿真的基础上设计前置放大电路印制板，当电路上电后各电源电流大小见表2。

表2 电源电压及接入电路后电源的电流值

由于前置放大电路采用双极型晶体管，电路设计采用完全对称式结构，所以在上电结束后，应对电路的某些对称点进行测试，以确定器件是否存在异常，避免因晶体管的非对称性造成电路的输出错误。在上述步骤无误的情况下，测试电路的输入输出是否满足151倍的电压放大关系。

前置放大电路出现故障时的分析方法及解决措施：

（1）电源故障。如发生电流突变现象，应立即断电，检查电路电源正端对地电阻。判断电路是否在使用过程中由于高温、形变等原因，导致电路或器件之间有短路现象出现；其次应进一步检查电容，特别是带有极性的电容是否焊反等。该故障易于消除。

（2）直流偏置偏执问题。若输出波形明显有直流偏置，应检查电路中最后一级运放HA－2520供电电源是否正常；其次检查该运放输入短信号是否已经存在偏置，若已有偏置，则电路向前推，进行措施（3）中的对称点测试，否则怀疑HA－2520已损坏，更换后消除故障。

（3）对称点电压问题。测试电路相应的对称点电压，发现对称点电压值之间存在明显的偏差，进而检查外围的电阻、电容，发现无焊接错误，更换双极型晶体管后排除故障。

4 电路温度性能测试

图6是在该前置放大电路应用于仪器时，且仪器从常温加温至155℃时加温3次得到的结果。图6中的纵坐标为仪器的3次加温结果与理论值相减的差，横坐标为温度，该坐标温度从0℃开始，是因为在制作图版的过程中使用归一化处理，方便后续仪器在温度性能校正过程中的使用。该结果充分证明电路的其温度性能稳定，图6中的拟合方程的系数极小，进一步说明电路的线性度良好，完全满足井下高温恶劣环境的要求。

图6 前置放大电路温度性能测试

5 结 论

（1）阵列感应测井仪前置放大器具有低噪声、宽频带、高输入阻抗和低输出阻抗等特点，该设计有效降低了系统的输入级噪声，增加了系统的信噪比，提高了系统测量精度，扩大了仪器的有效测量范围。

（2）本文所设计的前置放大电路对其他测井仪器的研制也有参考意义和实用价值。

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

［2］ 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分［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简明教程.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 本文编辑 余迎）

1004－1338（2012）03－0290－04

党峰，男，1981年生，硕士，从事三维感应测井仪器研发工作。