核磁共振测井仪前置放大电路设计

摘 要:核磁共振回波信号微弱，设计一种低噪声前置放大电路是回波信号提取的关键。给出天线的等效模型，提出天线与前置放大电路接口设计原则，依据采集电路对输入信号信噪比的要求设计并实现一种低噪声前置放大电路。温度、增益、带宽、噪声性能实验结果表明电路各项指标与设计计算相符并达到仪器要求。

关键词:核磁共振测井仪前置放大电路改进型仪用放大电路

中图分类号:TP23文献标识码:A文章编号：1007-9416（2010）10-0085-03

The Design of NMR Logging Preamplifier

Chang Fu-bin1,Cheng Jing-jing1,Wang Guang-wei2,Wang Yi-yi2

(1.Department of Control Science&Engineering, Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074,China; 2.Technical Center-China Oilfield Services Limited，Beijing 101149,China）

Abstract:Designing a low noise preamplifier is the key to the echo signal extraction owing to weak NMR echo signal.Give the antenna"s equivalent model, put forward the design principle of the antenna and preamplifier interfaces.According to the requirement of the input signal SNR,design and achieve a circuit of low-noise preamplifier.The experimental results of temperature,gain,bandwidth,noise performance show that all indexes of circuit comply with the design calculations and equipment’s requirements.

Key words:NMR logging;preamplifier;improved instrument amplifier

引言

NMR测井是利用地层中流体种类的不同和流体存在形态的不同均会导致NMR响应的不同来探测地层孔隙度与流体特征的一种卓有成效的方法[1]。受井眼环境限制，NMR测井仪需采用“Inside-Out”地层磁化与激励方式[1,2]，这使得NMR测井仪响应信号极其微弱，最小信号幅度约为数十nV量级。前置放大电路要将这一响应放大数万倍，以满足数据采集系统动态范围要求。高增益前置放大电路设计存在如下几个难点。

(1)信号频带宽。信号在500KHz～1MHz之间，有多个工作频率，因此前置放大电路设计为全带宽，导致噪声带宽变大，恶化回波信噪比。

(2)工作环境温度高。井下仪器在5000m常规测井中，环境温度在125℃以上，高温环境增大天线以及放大电路反馈电阻的热噪声，导致放大电路噪声性能下降。

(3)外界干扰严重。天线工作在强磁场下，另外激励电路产生高压，会造成电磁干扰。

针对如上问题，设计一种以改进型仪用放大电路为第一级的低噪声前置放大电路。

1 前置放大电路低噪声设计

1.1 前置放大电路与天线接口设计

前置放大电路与天线接口设计不包含天线低噪声的设计，而是把天线作为幅值、频率可调以及差分输出的正弦波信号发生器来分析、处理，其结构根据磁体和天线的连接方式以及原理可等效为LC振荡电路，如图1。

天线等效内阻Z:

则阻抗模|Z|:

天线谐振时,阻抗|Z|简化为:

对天线电阻、电容以及电感等参数测量，可知信号源热噪声极小，天线贡献噪声主要由天线源电阻与前置放大电路等效输入电流噪声的乘积决定，在前置放大电路低噪声设计与芯片选型中要注意此问题。又天线输出回波为差分信号，设计的前置放大电路应具有差分接收的功能。

1.2 前置放大电路前级结构设计

前置放大电路采用多级级联的方式，级联放大器的总噪声在第一级增益高时主要受第一级噪声的影响[3],为减少前置放大电路等效输入噪声电压，前置放大电路前级采用改进型仪用放大电路。

改进型仪用放大电路结构如图2所示，其中运算放大器A1、A2，差分接收器A3、反馈电阻R、R1、R2、R3、Rf组成的3运放仪用放大器电路A，运算放大器A4、A5，差分接收器A6、反馈电阻R4、R5、R6、R7、R8组成的3运放仪用放大器电路B，仪用放大电路A、B对应参数相同，分别输出至由运算放大器A7、反馈电阻R9、R10、R11组成的加法电路，从而构成改进型仪用放大电路[3,5]。

2 前置放大电路设计

前置放大电路主要由改进型仪用放大电路、带通滤波电路、差分传输、电源变换以及屏蔽体构成，结构如图3所示。

2.1 关键器件选型

改进型仪用放大电路中运算放大器选用AD公司的超低失真,超低噪声运算放大器AD797S，在回波信号带宽内，等效电压噪声谱密度典型值0.9nV/√Hz,等效电流噪声谱密度典型值2pA/√Hz，选择R=10Ω，则前置放大电路等效输入噪声电压谱密度约为1nV/√Hz。

数据采集系统有效提取放大信号最小幅值满足Us=Un*10-DR/20，其中Un为电路噪声，DR为采集系统动态范围，选用12位AD时DR=48dB[6]。前置放大电路等效输入电压噪声谱密度为1nV/√Hz，信号带宽600KHz，电路等效输入电压噪声为0.775uV，带入公式Us=Un*10-48/20，从而得最小可检测电压Us=3.08nV，满足回波信号最小值为50nV的幅值要求。

2.2 增益G设计

从噪声性能角度出发，增益越大越好，特别是前级增益，但是从NMR功能要求出发，前置放大电路增益G考虑以下两种情况:

（1）回波信号幅值范围50nV～10μV，采集电路中12位AD转换器参考电压2.048V，放大后的信号大于ADC最小分辨率且不应超过其参考电压的限制条件，则前置放大电路增益G应满足2×104≤G≤2.048×105。

（2）前置放大电路等效输入噪声0.775uV，对于高斯分布随机噪声，噪声有效值乘以系数6.6得等效输入噪声峰峰值约为5.1μV，则G≤8.03×105。

综合考虑，前置放大电路增益应该设计在2×104～5.12×104间，设计放大倍数为43000倍。

2.3 滤波电路设计

回波信号在500KHz～1MHz间，为限制噪声带宽且不影响信号传输，运算放大器AD797S搭建-3dB带宽为500KHz的4阶巴特沃斯高通滤波器，同时为限制电路体积使用集成的5阶，1MHz椭圆低通滤波器LTC1560-1I从而组成带通滤波电路。

2.4 抗干扰设计

为减少电磁干扰的面积，回波传输导线采用耐高温高压屏蔽双绞线同时走线贴近骨架地线放置，使干扰产生的感生电动势相互抵消，该方法经实验检定具有一定的效果。

前置放大电路采用屏蔽体抑制仪器内电路间以及环境的辐射与传导干扰，但是由于输入信号、输出信号以及电源线导线进出开孔、可拆卸盖板的接缝，从而造成屏蔽体的不完整、不连续，大幅度降低屏蔽的效果，对于电源导线开孔用引导通过陶瓷电容器安装，信号导线开孔用接线柱减少开孔尺寸，导电胶带密封可拆卸盖板的接缝，从而使屏蔽体尽可能完整、连续，同时将屏蔽体使用螺钉与骨架地连接、固定，防止外界条件和位置的变化导致耦合到内部电路上的噪声不断的变化[4]。

3 前置放大电路关键性能测试

关键性能测试包括放大电路增益带宽与温度关系以及噪声性能测试。

3.1 电路增益、带宽与温度关系测试

常温条件下，前置放大电路-3dB带宽约在450KHz～1.05MHz之间，带宽内增益平坦，稳定在43000倍左右；随着温度增加，增益略有变化，但是由LTC1560-1I纹波特性导致的增益增加或者减小的趋势并不明显，但每个温度点增益稳定，-3dB带宽基本不变，满足高温条件下增益、带宽的稳定，如图4。

3.2 前置放大电路噪声性能测试

常温下等效输入电压噪声谱密度与设计计算出的等效输入电压噪声谱密度相当，随着温度的增加，增加趋势如图5，在125℃时，等效输入电压噪声谱密度为1.33nV/√Hz，电路等效输入噪声为1.031uV，最小可检测电压Us=4.1nV，仍满足回波信号最小值为50nV的幅值要求。

4 结论

从工程实际角度出发研制的核磁共振测井仪前置放大电路低噪声、抗干扰性能满足天线回波信号需求，在工程实际中已得到应用，性能主要体现在:

（1）结构简单，精巧并联电路结构使运算放大器等效电流噪声谱密度大幅度降低从而降低源内阻影响，使噪声性能主要集中在运算放大器以及反馈电阻设计上。

（2）电路增益、-3dB带宽稳定，使重复进行回波测量时信号的幅度和位置是重复的，而噪声则不能重复，因此对几个回波串叠加和平均将减少噪声影响从而提高信噪比提供依据。

（3）屏蔽体设计以及导线处理使电路抗干扰能力增强。

参考文献

[1] 楚泽涵,高杰,黄隆基,肖立志.地球物理测井方法与原理（下册）.北京:石油工业出版社，2008:203～204,242～243.

[2] George R.Coates,Lizhi Xiao,and Manfred G. Prammer.NMR Logging Principles and Applications.Halliburton Energy Services Publication,1999:1～3.

[3] 高晋占.微弱信号检测.北京:清华大学出版社，2004:51～53.

[4] Hey W.OTT.电子系统中噪声的抑制与衰减技术（第二版）.王培清,李迪 译.北京:电子工业出版社，2003:112～141.

[5] C.D.莫特钦巴切尔,F.C.菲特钦.低噪声电子设计.龙忠琪 译.北京:国防工业出版社,1979:266～272.

[6] 戴逸松.测量低信噪比电压的数字相敏解调算法及性能分析[J].计量学报,1997,18(2):129～130.

作者简介:常付彬(1985-)，华中科技大学控制科学与工程系，检测技术与自动化装置专业在读硕士研究生，主要从事核磁共振测井仪器通信、微弱信号检测研发工作。

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