高阻运放在矿用钻孔伽马测井仪信号调理电路中的应用

2022-04-13田小超

电子设计工程 2022年6期

田小超

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

自然伽马测井曲线是油气勘探开发过程中的一条必测曲线，也是最基本、最重要的曲线之一，其在煤矿井下近水平钻孔岩性划分方面也有着十分重要的意义，近几年随着生产生活的实际需求，也逐渐开被广泛应用[1-3]。地层岩石中含有天然放射性核素，这些核素在自然衰变时会主动发射出伽马射线。当矿用钻孔伽马测井仪接收到这些射线时，会将这些射线转换成电脉冲，而电脉冲的数量与当前位置的伽马射线强度是成正比的。通过计算单位时间内的脉冲数量，可以获得被测孔段岩层的岩性差异[4-6]。矿用钻孔伽马测井仪中伽马射线探测器输出的反映地层放射性强度信息的脉冲信号经各方研究认为极其微弱[7-9]，因此要先对该信号进行拾取与放大后才能由后续处理电路进行调理及统计计数，但是因电路中元器件热噪声、PMT 自身暗电流等引起的噪声信号往往会淹没有效信号，所以在对微弱信号进行处理时要尽可能消除噪声对有效信号的干扰，提高信噪比[10-12]。

文中介绍了基于高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声的CA3140A 型高集成度运算放大器设计的矿用钻孔伽马测井仪信号调理电路，并在实验室条件下对设计电路进行了实测验证，验证结果表明，电路设计性能符合预期的设计要求。

1 CA3140A性能参数

在进行矿用钻孔伽马测井仪信号调理电路设计时，核心运算放大器选用了美国无线电公司开发的一款高输入阻抗、超低输出阻抗的产品CA3140A，其内部方框图如图1 所示。该芯片是一款在片内集成了高压P-MOS和Bipolar 等工艺优点的低噪声、单路集成运算放大器，其具有4～36 V 宽范围的工作电源电压，高达1.5 TΩ的输入阻抗，低至几十欧姆的输出阻抗，最大的开环性增益可达M 级，正常工作电压范围为-15～+15 V时，输入偏置电流约为0.5 pA，在偏置电压为5 mV的条件下，最大功耗不到200 mW[13]。

图1 CA3140A内部方框图

2 电路组成

矿用钻孔伽马测井仪信号调理电路主要由信号拾取与放大电路、信号鉴别电路、脉冲整形电路三大部分组成，其电路结构框图如图2 所示。

图2 信号调理电路结构框图

矿用钻孔伽马测井仪中伽马射线探测器是其重要的组成部件。伽马射线探测器由掺杂铊元素的碘化钠晶体及光电转化器件——光电倍增管（PMT）组成，其主要功能是将由地层岩石中辐射出的自然伽马射线物理信号变换成电信号，但因其输出的电信号为微弱的负极性电流信号，因此需经过信号调理电路进行必要的转换与调理。信号调理电路就是将携带地层放射性强度的非标准电信号调理成标准的脉冲信号的专用电路，其中，信号拾取与放大电路用于对伽马射线探测器输出的微弱电流信号进行电流-电压转换及合理放大；而其输出信号再经由信号鉴别电路进行去噪；脉冲整形电路用于对噪声剔除后的非标准脉冲信号进行标准化处理。

3 电路设计与测试

矿用钻孔伽马测井仪中伽马射线探测器输出的地层伽马射线强度信息是微弱的负极性电流信号，该信号中常混杂着各种各样的噪声，而只有纯净的、达到一定幅度的正向信号才能被微控制器所接收并做统计计数，因此，需设计信号调理电路将该非标信号进行标准化处理。

3.1 信号拾取与放大电路

PMT 阳极电路输出的信号特征为幅度小、负极性、电流信号。因此，在设计信号拾取与放大电路时，所选用的运算放大器应具有高开环增益、高输入阻抗的特性，同时其输出阻抗应尽可能小，以尽可能减小因在输出阻抗上产生的压降对输出电压产生的影响。在内阻较小时，运算放大器可以近似看作一个电压源，如此情况下输出电压则不会跟随后级负载所变化。另外，低噪声、低输入偏置的特性要求也是选择运算放大器所应考虑的。

信号拾取与放大电路的实际功能是将伽马射线探测器所输出的弱小的、负极性的电流信号变换为电压信号，并进行合理的放大，再由后续调理电路作进一步处理。在设计该电路时，选用了美国无线电公司设计研发的CA3140A 型运算放大器。

信号拾取与放大电路共由两级CA3140A 型运算放大器构成，第1 级运算放大器主要实现对伽马射线探测器输出的微弱电流信号进行拾取，且将其转换为正极性电压信号；再由第2 级运算放大器实现该电压信号的同相放大，信号拾取与放大电路原理图如图3 所示。

图3 信号拾取与放大电路原理图

伽马射线探测器的输出信号IA经隔直耦合电容C后，输入到起信号拾取作用的第1 级运算放大器的反相输入端，反馈电阻RF跨接于运算放大器反相输入端、输出端两端，而运算放大器的同相输入端则接地电位。基于以上设计原理，该运算放大器的输出电压和反馈电阻RF两端产生的电压相同，其计算方法如式（1）所示：

式中，VO1是输出电压，单位为V；IA是伽马射线探测器的输出电流，单位为A；RF为反馈电阻，单位为Ω。

伽马射线探测器中的PMT 正常工作需要由外围电路为各倍增极之间提供合适的直流偏置分压，但为了减小分压偏置电路引入的额外噪声，设计中采用了正高压接法的高压偏置电路，即阳极接高压电源正极、阴极接地电位。同时，为了使高压偏置电路的高压不至影响信号调理电路，在电路中，选用耐压值不低于1 500 V、漏电流小、频率特性好的瓷介质电容对前后级电路进行隔离。

为解决因输入电路存在输入电容及负载端存在耦合电容、旁路电容导致的信号相位滞后和振荡问题，在电路设计中，反馈电阻RF两端需并联反馈电容CF实现相位补偿，达到消除振荡的效果；不仅如此，反馈电容CF在电路中还可以起到抑制噪声的作用。

3.2 信号鉴别电路

伽马射线探测器输出的负极性脉冲信号中除了包含反映地层放射性强度的信息外还会包含因PMT自身暗电流、外界宇宙射线、电路元器件热噪声等引起的噪声脉冲信号，如图4 所示，这些噪声信号会对矿用钻孔伽马测井仪的脉冲计数精度造成一定程度的影响，因此，设计了由比较器构成的鉴别电路，如图5所示，以剔除噪声脉冲信号，保留有效脉冲信号。

图4 伽马射线探测器输出信号及分类

图5 信号鉴别电路原理图

图5 电路中，VO2是信号拾取与放大电路的输出信号，将作为信号鉴别的输入信号。Vref是信号调理电路中鉴别电路的门限电压，其取值受限于伽马射线探测器中PMT 器件的暗电流脉冲，以及信号调理电路热噪声脉冲中的极大值，但因仪器的使用环境为煤矿井下，且仪器有两层起防护和固定作用的金属外壳，因此，宇宙射线脉冲可以不予考虑。鉴别电路的门限电压Vref设置方法之一是用示波器在信号调理电路输出VO2端观察低端噪声的幅度水平，门限电压Vref一般设置的略高于该值即可。当输入的脉冲信号为零，鉴别电路中比较器部分的同相输入端输入电压比门限电压Vref低时，电路输出为低电平；当输入的脉冲信号为有效信号，比较器部分的同相输入端输入电压比门限电压Vref高时，电路输出为高电平。经过鉴别电路甄选后，携带地层放射性强度信息的有效脉冲信号就输入到脉冲整形电路的输入端。

3.3 脉冲整形电路

经过脉冲鉴别电路筛选后携带地层放射性强度信息的有效脉冲信号基本已是方波信号，微控制器可以实现脉冲计数，但为了计数精度更高、抗干扰能力更强，设计了脉冲整形电路。自然伽马测井是对不同岩性地层、不同放射性强度所反映的脉冲数的一个统计，因此，为了降低电路功耗、简化电路设计、提高可靠性，采用二非门电路实现脉冲整形电路。微控制器的脉冲输入IO 口可兼容5 V 输入，因此，脉冲整形电路供电电源同鉴别电路也采用5 V 供电。

3.4 电路效果测试

信号调理电路的测试在实验室环境条件下进行，以伽马射线探测器输出信号作为信号调理电路的输入信号，用专用直流高压电源模块为PMT 各倍增极提供所需的百伏级直流偏置电压。根据该次测试所用的PMT和信号调理电路联合实测的坪特性曲线及坪区范围情况[14-16]，直流偏置高压选850 V。以示波器观察伽马射线探测器的输出信号幅值大小情况，调整反馈电阻RF的阻值，使信号拾取与放大电路第1 级运算放大器的输出波形无畸变；观测信号拾取与放大电路第2 级运算放大器的输出脉冲信号幅度，并使有效信号可以通过比较器构成的鉴别电路，而噪声脉冲信号不能通过，信号波形如图6 所示。如有不合适，可调节电阻R3的阻值直至到达预期要求，经信号调理电路变换后的标准脉冲信号如图7所示。