一种多侧向测井仪器的主监督电路设计

张全文（中海油田服务股份有限公司，河北 燕郊 065201）

一种多侧向测井仪器的主监督电路设计

张全文（中海油田服务股份有限公司，河北 燕郊 065201）

本文论述一种微弱信号检测电路的设计，分析了该电路的高共模抑制比电路设计、功率放大电路设计、积分比例电路设计、高电源抑制比电路设计。实践表明，该主监督电路可以在多侧向石油测井仪器中稳定可靠地工作，达到了设计要求。

共模抑制比；功率放大电路；积分比例电路；电源抑制比

多侧向测井仪是基于侧向聚焦的基本原理，但增加了屏蔽电极和监督电极的数量，仪器的复杂程度大为增加。可依次构成径向上由浅入深的多种不同探测深度的地层电阻率测量，详细描述地层侵入剖面，同时具有较好的薄层分辨能力。由于该仪器能够测得多条测井曲线的数据，这就使得多参数反演成为可能，为测井解释提供丰富的资料。而多侧向测井仪的主监督电路是其核心电路之一，需要完成极其微弱信号的检测，因此有必要对该电路进行详细的分析设计。

1 电路总体设计

首先，使用两路仪表放大电路对输入信号进行差分放大，再用求和平均电路对信号进行平均计算，可以有效对共模信号和噪声进行滤除；然后再用放大滤波电路对信号进行适当的放大；最后采用AB类功率放大电路对放大后的信号进行功率放大并输出。同时由于AB类功率放大电路在高温环境下容易产生直流偏移，采用积分比例电路将该直流信号反馈到放大滤波电路的反相输入端，使得输出信号始终处于直流零电位，防止信号容易失真。电路中还对电源噪声进行滤波，减小电源纹波对输出信号的影响。

2 高共模抑制比电路设计

共模抑制比（CMRR）是衡量差分放大电路放大差模信号及抑制共模信号能力的技术指标，其定义为放大电路对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比[1]。影响共模抑制比的因素主要有：（1）提高差模信号在传输过程中的对称性，以减小信号在传输过程中将共模信号转化为差模信号的机会；（2）提高差分放大电路的对称性，如果电路不具有对称性，差分放大电路就会把共模信号当成差模信号进行放大，从而影响信号的检测；（3）确保差模信号处于电路的线性工作范围，因为当差模信号超出了电路线性范围时，即使正常信号也不能被正常放大，更谈不上共模抑制能力。(4)利用平均值电路减小共模噪声。(5)选择合适的器件。针对上述五个因素。

本文设计中的仪表放大电路主要采用低噪声的仪表放大器AD8429。其中，电阻R1、R2可根据电路需求设置前端放大电路的增益；R3～R6为限流电阻，防止静电干扰；R7～R10为仪表放大器的输入偏置电流提供直流返回路径。另外，R11、R12、开关电路和缓冲驱动电路构成平均值电路，以减小共模噪声。将输入端M1、M2接入峰值为0.2mV的共模信号，测量U3A的输出信号峰值为12nV；然后将输入端M1、M2接入峰值为

0.2 mV的差模信号，测量U3A的输出信号峰值为2mV，就可以得到本电路的共模抑制比为104dB。可见，本文设计的电路具有很高的共模抑制比。

3 AB类功率放大电路设计

本设计中采用的AB类功率放大器具有输出电流大，功耗低、谐波失真度小的特点。同时相对于其他AB类功率放大电路，设计中没有使用大容量的电容，减少了非线性误差。首先，A类功率放大器的特点是使得放大器的输出信号能在最大范围内摆动，这样就能获得最大的输出信号。其次，推挽B类功率放大器可以使得集电极电流Ic在一个非常大的范围内（0～Ic (sat)）摆动，使之有非常“强健”的驱动能力，但是容易出现交越失真。AB类放大器结合了A类放大器的特点，在继承推挽B类放大器优势的同时又改善了失真[2]。设计中运算放大器的内部输出级产生交替变化的电流脉冲会通过R1、R2分别激活Q1、Q2的放大工作；R3、R4分别用于限制Q1、Q2的基极电流；R5、R6分别用于稳定Q1、Q2的静态工作点；二极管D1～D4用于限制三极管Q1、Q2发射节的最大电压，从而限制输出电流。

4 高电源抑制比电路设计

电源抑制比（PSRR）是一个描述输出信号受电源影响的量，是衡量电路抑制电源噪声的能力，其计算公式为PSRR= 20log(Ripple(in)/Ripple(out))，由该式可以看出，PSRR越大，输出信号受到电源的影响越小[3]。将电路的输入端接地，在一个仪表放大器的正电源处叠加了频率为105Hz,幅度为10mV的纹波，通过PSPICE电路仿真软件在放大滤波电路输出测量到该信号的幅度为152.45nV；而将该仪表放大器的正、负电源处叠加了频率为105Hz,幅度为10mV的纹波，在放大滤波电路输出测量到该信号的幅度为271.35nV；将该仪表放大器的正、负电源处的纹波信号改为频率为105Hz，幅度为1mV的纹波，在输出上能产生峰值为27.145nV的信号。由此可见，降低电源的纹波幅度，对微弱信号的检测是非常重要的。本文采用高电源抑制比的LDO电源芯片对主监督电路进行供电。

5 结语

本文论述的多侧向测井仪主监督电路，具有很高的共模抑制比和电源抑制比、强劲的功率输出和较低的直流输出。实践证明，该电路可以稳定可靠的工作，通过了现场作业的实验。如图1所示，测量曲线在泥岩层段进行了很好的重合，在砂岩层段进行了有序分开，满足实际作业的要求。

[1]郜东瑞，李鹏霄.高共模抑制比全频段脑电采集系统[J].中国生物医学工程学报.Vol.34 No.6 Dec.2015.

[2]杨欣，胡文锦等著.实例解读模拟电子技术完全学习与应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]王磊，王刚.一种高电源抑制比的LDO电路设计[J].长春理工大学学报.Vol.35 No.2 Jun.2012.

张全文，（1982-）工程师，2009年毕业于电子科技大学(成都)测试计量技术及仪器专业获得硕士学位，现在中海油服油技研究院工作。