TA2022在過鉆具陣列感應(yīng)測井儀中的應(yīng)用

作者簡介：吳志剛（1982—），男，工程師，碩士，從事硬件研發(fā)相關(guān)工作。

朱瑞明（1980—），男，工程師，碩士，從事機(jī)械設(shè)計相關(guān)工作。

梁小兵（1978—），男，高級工程師，碩士，從事硬件研發(fā)相關(guān)工作。

0   引言

隨著鉆井技術(shù)的迅速發(fā)展，水平井和大斜度井的測井需求越來越多，為了滿足這些需求，就產(chǎn)生了一種新的測井方式，過鉆具存儲式測井技術(shù)。根據(jù)過鉆具測井的特點(diǎn)，便要求過鉆具存儲式陣列感應(yīng)測井儀具有較高的集成度，較低的功耗以及較大的輸出功率。目前，常規(guī)的陣列感應(yīng)測井儀器多采用達(dá)林頓管推挽的方式將發(fā)射信號送入地層，這種方式功耗大，電路復(fù)雜。本文提出了一種利用T- 類功放TA2022 的信號發(fā)射方法，本方法結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，能夠以較低的復(fù)雜度獲得較高的性能。

1   過鉆具陣列感應(yīng)儀器原理介紹

過鉆具存儲式測井儀是利用鉆桿下鉆的方式將懸掛在鉆桿水眼內(nèi)的測井儀器送到井底，下到測量段時利用泥漿壓力將儀器泵出水眼后開始起鉆測井，這就要求過鉆具存儲式測井儀器只能用電池供電，而且儀器的外徑必須小，一般要小于60 mm，屬于小直徑測井儀器。過鉆具式陣列感應(yīng)測井儀器是過鉆具式測井儀器中的一支非常重要的儀器，它是在常規(guī)陣列感應(yīng)測井儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的，測井原理與常規(guī)陣列感應(yīng)測井儀器一樣，通過發(fā)送多個不同頻率的信號，在發(fā)射線圈周圍的介質(zhì)中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進(jìn)而產(chǎn)生與介質(zhì)電導(dǎo)率成正比的渦流。感應(yīng)渦流會激發(fā)二次場，在接收線圈中產(chǎn)生二次感應(yīng)電動勢。由一系列不同線圈距的接收線圈系對同一地層進(jìn)行測量，然后通過硬件或軟件聚焦處理獲得不同徑向探測深度的地層電導(dǎo)率，從而有效的識別油氣層^[1-2]。

過鉆具式陣列感應(yīng)測井儀器電子線路框圖如圖1 所示：由1 個發(fā)射線圈和6 個接收線圈組成儀器的探頭部分，發(fā)射板將來自主控板的發(fā)射信號推挽放大后由發(fā)射線圈將信號送入地層，發(fā)射信號是由16 kHz，24 kHz，40 kHz 和48 kHz 四個正弦信號疊加組合而成的4 頻復(fù)合信號。6 個接收線圈將收到的不同源距的接收信號送入采集板進(jìn)行放大和濾波，主控板負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號處理，并將處理后的信號存儲起來，最后由地面系統(tǒng)讀取存儲數(shù)據(jù)^[3-4]。

可見，發(fā)射信號的質(zhì)量和功耗直接決定了整支儀器的工作性能。

2   功率放大器的工作原理

隨著微電子技術(shù)及半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展，功率放大器也伴隨著制造工藝和技術(shù)的快速發(fā)展而不斷得到創(chuàng)新。功率放大器主要可以分為模擬功率放大器和數(shù)字功率放大器。

2.1 模擬功率放大器實(shí)現(xiàn)電路

模擬功率放大器又可以分為A 類，B 類，AB 類功率放大器。模擬功放屬于線性功率放大器，可以是單管單端結(jié)構(gòu)，也可以是雙管推挽結(jié)構(gòu)，功放管工作在線性放大區(qū)，通過調(diào)整外圍器件，便可有效地控制偏置電壓和動態(tài)工作范圍，從而使非線性失真達(dá)到最小。模擬功率放大器雖然工作性能可靠，但同時也有利用率低，發(fā)熱大，體積大，成本高等缺點(diǎn)[5]。目前常規(guī)陣列感應(yīng)儀器多采用達(dá)林頓管推挽的模擬功放方式實(shí)現(xiàn)功率放大，如圖2 所示。

發(fā)射信號經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分的放大器，送入達(dá)林頓管電路實(shí)現(xiàn)功率放大。這種方式電路復(fù)雜，功耗大，發(fā)熱也很大，還需要很大的散熱片以保證電路的安全。

2.2 數(shù)字功率放大器實(shí)現(xiàn)電路

伴隨著各種高性能的場效應(yīng)管的出現(xiàn)，數(shù)字功率放大器即D 類功率放大器得以迅速發(fā)展，有別于模擬功放的工作方式，D 類功放的工作原理是將輸入信號變換成PWM 信號，然后利用該信號來控制晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷以得到放大后的信號，D 類功放的輸出級始終在完全導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)下工作，當(dāng)工作在導(dǎo)通狀態(tài)時，雖然有電流流過晶體管，但因?yàn)榫w管兩端幾乎沒有電壓差，所以就幾乎沒有功率消耗；當(dāng)工作在截至狀態(tài)時，雖然晶體管兩端有電壓差，但由于管子的內(nèi)阻很大導(dǎo)致流過的電流很小，所以也幾乎沒有功率損耗，這種特性使得其工作效率遠(yuǎn)高于其他類的功率放大器^[6]。

TA2022 是一款由Tripath 公司開發(fā)的T 類功率放大芯片，T 類功率放大器的功率輸出電路和采用脈沖寬度調(diào)制的D 類功率放大器基本一樣，晶體管也是工作在導(dǎo)通或者截至狀態(tài)，因此工作效率也和D 類功率放大器相當(dāng)。但它和D 類功率放大器不一樣的地方是，它并沒有采用脈沖寬度調(diào)制的方法。Tripath 公司發(fā)明了一種名為DPP（Digital Power Processing）的數(shù)字功率處理技術(shù)，這種技術(shù)的工作原理是利用了一個Σ-Δ 調(diào)制方式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是以12.5 MHz 的采樣頻率對輸入信號進(jìn)行采樣，通過這種過采樣方式能夠快速有效地把輸入信號的處理成一個1 位的數(shù)字信號，通過該模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的1 位數(shù)字信號直接去控制功率晶體管的導(dǎo)通和截至。這種方式使得T 類功放具有更寬的動態(tài)范圍，更小的群延遲以及更平坦的頻率響應(yīng)^[7]。而且數(shù)字功率處理技術(shù)的介入也減小了熱噪聲的影響，使得信號的信噪比，總諧波失真等指標(biāo)也得以提高。鑒于TA2022 的眾多優(yōu)點(diǎn)，以及作為過鉆具式測井儀器，其測井方式?jīng)Q定了過鉆具式陣列感應(yīng)儀器的電源只能用電池供電，而且儀器尺寸小，因此本文采用了T 類功率放大器TA2022 來實(shí)現(xiàn)功率放大，如圖3 所示。

發(fā)射板電路只需要一個單端轉(zhuǎn)差分的放大器和一個TA2022 就可以實(shí)現(xiàn)，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，散熱少，方便調(diào)試并且性能可靠。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

本方案采用±15 V 為TA2022 供電，每一路電壓的電流消耗基本在200 mA 左右，發(fā)射板的輸入信號峰峰值約為2 V，如圖4 所示。

圖4 發(fā)射板的輸入信號波形

通過示波器采集到的TA2022 輸出信號的波形如圖5 所示。

圖5 發(fā)射板的輸出信號波形

單通道輸出峰峰值可以達(dá)到24 V，放大增益將近22 dB，而且比較輸入輸出波形，幾乎沒有非線性失真。經(jīng)過測試，發(fā)射板的輸出信號質(zhì)量可以滿足過鉆具式陣列感應(yīng)儀器的設(shè)計要求。

3   結(jié)語

本文根據(jù)過鉆具陣列感應(yīng)測井儀器的工程需求，采用模塊化的設(shè)計方法，設(shè)計開發(fā)了基于T 類功放TA2022 的發(fā)射電路。經(jīng)過測試，該電路可以很好地達(dá)到設(shè)計要求，具有集成度高，可靠性強(qiáng)，功耗低等特點(diǎn)，并且對其他功放模塊的電路設(shè)計提供了一個切實(shí)可行的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 黃爭志,余厚全,魏勇,等.完全基于FPGA的過鉆具陣列聲波測井主控電路設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2020,17(1):32-38.

[5] 李揮,羅勇,鄒傳云.數(shù)字音頻功率放大器遠(yuǎn)離及實(shí)現(xiàn)[J].器件與電路,2003(4):32-35.

[6] 肖寧.基于DSP的D類功放控制系統(tǒng)的研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

[7] 劉舉平.基于TA2022的T類數(shù)字功率放大器的設(shè)計[J].音響技術(shù),2009(7):61-63.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）