一种用于双感应测井仪的前置放大滤波电路设计

王 鹏 王敏娟 刘 丹

（西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，西安 710065）

1 引言

感应测井（Induction Logging）是利用电磁感应原理研究岩层导电性的一种测井方法。它可以在井眼不导电的情况下（如油基泥浆井，空气井）测量地层电导率，这种方法对于低电阻率地层反应灵敏，适合区分低阻油、水层和油水过渡层[1]。

在感应测井仪器中，接收线圈接收到的感应信号是由地层的涡流产生的，地层电导率越小，接收线圈中产生的感应电动势也就越小，因此接收线圈所接受到的感应信号非常小。感应测井仪适应于电导率范围为0.0005—5S/m的地层，因而中感应接收线圈接收到的电压信号范围为1. 2 0×10-6～3.816.2×01×01-40-6，深感应的为3.4. 61 310-4-～3. 4 610-4[2]。为了更好的利用这些信号，必须对其进行调理。文章根据感应测井信号的特点设计了用于双感应测井的前置放大滤波电路。

2 电路基本结构

针对上述测井信号的特点，设计的前置放大电路必须具有高输入阻抗、良好的频率特性、低噪声、电路工作点稳定等特点。因此，采取了以下措施来实现低噪声前置放大电路设计：第一，在电子电路中，元器件的内部噪声会对电路造成很大的影响，在电路设计时，尽可能选用低噪声的元器件，用场效应管代替三极管，场效应管具有输入阻抗高，动态范围大，噪声系数小且与工作电流基本无关的特点，选用低噪声集成运算放大器，电路中选用高精度的金属膜电阻来减小电阻的1/f噪声；第二，采用高稳定和低噪声的渥尔曼电路作为前置放大电路的输入级，在使电路具有很高的输入阻抗的同时又具有良好的频率特性【3】；第三，采用仪用放大电路对信号进行放大滤波处理。电路总体框图如图1所示：

图1 前置放大滤波电路总体框图

3 电路设计及仿真

3.1 输入级电路设计

为了得到放大电路中很好的频率特性，应该使用共基极放大电路，但是频率特性好就意味着放大电路的输入阻抗变低，本文采用差分输入的渥尔曼电路作为放大电路的输入级，刚好克服了这一缺点，不仅使系统拥有了较好的频率特性，而且提高了输入阻抗。图2所示为渥尔曼电路原理图，图中C1、C2、C3为TR1的等效极间电容，由于TR1是一个电压增益为零的共发射极放大电路，即AV=0，

图2 渥尔曼电路

Ci仅为C1和C2之和，并没有发生共射级电路避免不了的密勒效应。因此，采用渥尔曼电路并没有使电路的频率特性变坏。本设计中TR1采用输入阻抗高、噪声系数小的场效应管2N5434，当DI =10mA，频率为1kHz时，2N5434的等效输入噪声电压典型值为nV当频率为20kHz，ID=10mA时，其输入热噪声电1而对渥尔曼电路的频率特性起决定型作用的是TR2，因此选用小信号放大三极管2N930A，其噪声系数典型值为3.0dB，截止频率Tf为45MHz。

3.2 放大滤波电路设计

信号的放大由运算放大器和分立元件组成的仪用放大电路来实现，分两级放大，同时在每一级放大都进行带通滤波，滤波放大电路原理图如图4所示。

图3 滤波放大电路原理图

运算放大器选用高性能、低噪声的四运放集成运放芯片HA-5104，其输入噪声电压密度典型值为4.3，单位增益带宽为8MHz，可以提供3V/µs的转换速率，输入失调电压为0.5mV，输入失调电流和输入偏置电流分别为75nA和130nA，共模抑制比为95dB[4]，运算放大电路采用直流±15V供电。需要说明的是，对此电路中的集成运算放大器进行选择时还需考虑到最大差模输入电压、全功率带宽等参数。HA-5104的最大差模输入电压为±7V，满足我们的信号输入要求[4]；全功率带宽即是运算放大器输出信号幅值达到最大而其波形不失真的最大频率[5]，HA-5104的全功率带宽为47kHz，感应测井的信号为20kHz，完全满足要求。

由于感应测井频率为20kHz，为了消除高、低频噪声，需要设计一个带通滤波器。通频带宽定为12kHz～32kHz，放大倍数为20000。由于对滤波器没有特殊要求，故采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波波器构成带通滤波器。对于一个m级放大电路，设组成它的各级放大电路的限频率为 fL1、fL2…fLm，，上限频率为 fH1、fH2…fHm，可由（1）式估计出滤波器的截止频率[6]：

在图4中，电容C1和电阻R1组成高通滤波电路，反馈网络中的C3和R4组成低通滤波电路。负反馈网络在稳定电路工作点的同时决定着信号的放大倍数，在输入级的渥尔曼电路中信号放大倍数为1，所以整个电路的放大倍数可用公式（2）进行计算，

3.3 电路仿真结果

图6为前置放大电路的Multisim仿真波形，其中示波器的C、D两道是输入的差分信号波形，A、B两道为信号经放大电路的输出波形，从图中可以看当输入信号为1.14μV时，输出的电压值为25.7mV，电路的放大倍数为22530倍，达到了设计要求。

图4 前置放大滤波电路输入输出仿真波形

图5为前置放大滤波电路的幅频和相频相应特性曲线的Multisim仿真结果，从图中可以看出其中心频率为20.3kHz，即为感应测井信号的频率，在此频率下，整个电路为信号的放大和相位保持达到最佳性能。

图5 前置放大电路幅频和相频相应特性曲线图

4 结论

本文设计了一种用于双感应测井仪的前置放大滤波电路，利用渥尔曼电路作为放大电路的输入级，不仅使电路保持了良好的频率特性，而且保证了电路具有较高的输入阻抗。经Multisim进行仿真分析后，证实了电路具有较高的精确度和稳定性，相关的技术指标达到了设计要求，为信号的后续处理提供了保障。

[1] 张建华，刘振华，仵杰.电法测井原理与应用[M].西安：西北大学出版社，2002.11.

[2] 胡启，仵杰.感应测井理论[M].西安：陕西人民教育出版社，1990.6～25.

[3] （日）铃木雅臣著，周南生译.晶体管电路设计（上）[M].科学出版社，2006，62～64.

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

[5] （日）冈村廸夫著，王玲译.OP放大电路设计[M].科学出版社，2006，214～230.

[6] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001：136～138，390～424.

[7] 庞巨丰.测井原理及仪器 [M].北京：科学出版社，2008.40～51.

[8] 张庚骥.电法测井（下册）[M].石油工业出版社.